TWI778656B

TWI778656B - 自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置

Info

Publication number: TWI778656B
Application number: TW110121046A
Authority: TW
Inventors: 葉禮賢; 高夢瑤; 葉紹琥
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2022-09-21
Also published as: TW202248523A

Abstract

本發明提供一種自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置，其係為多層狀薄膜結構，包含一親水支撐基材、一導電層及一吸濕層。導電層塗佈於親水支撐基材外側，且具有一第一區段及一第二區段，吸濕層塗佈於導電層之第一區段位置，使可撓式長效清淨能源發電裝置形成非對稱結構；藉此，吸濕層係擷取環境中水分，水分因應毛細作用力及蒸發現象形成毛細壓力差，而使水分子與離子由濕潤區域朝向乾燥區域移動，據此形成電位差。進一步地，亦可於吸濕層及導電層之間增設一保濕層，而可大幅延長發電時間。據此，本發明提供無須外加水源條件又具備可撓性之長時間自發運作發電裝置，除運作極為清淨環保外，同時亦有結構簡便並有利於高度應用於各低能耗電子裝置與穿戴性產品上之優點。

Description

自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置

本發明係與清淨能源技術領域，尤其是一種於環境中可自發性吸濕，並透過蒸發與毛細作用力現象達到長效穩定輸出產電，同時具備低成本、高效能之新穎自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置。

當今世界面臨嚴峻的兩大挑戰：能源危機與環境污染，這驅使眾多國際研究團隊開始致力於開發產電過程中無任何化學汙染物產生之清淨能源產電裝置。其中，利用電動力效應（electrokinetic effect）驅動微奈通道中離子運動產生電位差之電動能源轉換（electrokinetic energy conversion），則因相關能源轉換原理簡單而被廣泛研究，其係利用壓力梯度（pressure gradient）驅動帶電微奈通道內之陰、陽離子運動，進而於裝置中產生流動電位（streaming potential）、流動電流（streaming current）現象的實施理論，而所產生之流動電位與電流，即可使用於驅動外部電路運作。

此外，美國第2019/0097257號專利中即有提到利用電動能轉換之一種產電方法，此種方法係利用外加壓力場驅動微米通道中水與離子運動，可再搭配蒸發現象增強毛細作用力（capillary force），進而提高系統能源輸出，雖說此方法可提升傳統電動能產電效率，但此方法至少具有以下四大劣勢，導致實際商業化受限。第一，傳統電動能產電裝置大都需要幫浦（pump）施加外部壓力梯度源（亦即需要對裝置輸入機械能做工），導致此方法即使可利用蒸發毛細作用力來增強電動能輸出，其能源轉換效率還是非常低落（低於4.2 %），且輸出能源亦非常微小(約莫10 ^-10W量級)，完全無法驅動任何電子產品。第二，此種電動能產電方法需要額外充滿液態電解質水溶液於整體裝置中，當裝置內水分蒸發殆盡時，整體裝置將無法使用，因此大幅限制了此方法之使用長效性、及各種環境之耐受性。第三，此微流體裝置設計複雜，且通常需要使用軟式曝光顯影（soft lithography）或雷射光雕刻技術來製備微流體通道，製備成本昂貴，亦將限制此裝置與方法之商業使用性。第四，此裝置不具有可撓性，亦將大幅限制真實應用性。

事實上，利用蒸發毛細作用力現象來實施電動能產電係已約在2017年即開始發展，然而，雖說蒸發驅動之電動能產電方法可利用自發產生之毛細壓力來解決外加壓力源及傳統電動能產電裝置轉換效率低落問題，但事實上，現有裝置所能產生的短路電流（short-circuit current，I _SC）只有數百奈米安培（nA）量級，能源輸出效能上尚有待提升。且該些裝置亦具有兩大致命問題，第一，系統需要源源不斷之水源，第二，系統不具有可撓性，此兩大劣勢亦大幅限制了相關裝置之商業應用性與使用範圍。

有感於此，如果能在沒有外加水源條件，又可利用蒸發與毛細作用力現象來開發長效、高效能、且可撓之電動能產電裝置，將是未來相關領域之重大突破。故本發明團隊係集結致力於此領域研究之豐富經驗與專業知識，構思並提出一種新穎的自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置，而可在未來於各式低能耗電子裝置與穿戴性產品上具有高度應用性。

本發明之一目的，旨在提供一種自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置，其係具備取之簡單用之自然、成本低廉、長效使用、高效能輸出且可彎曲之優點，以實現永續清淨能源生產之期許。

為達上述目的，本發明係提出一種自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置，為多層狀薄膜結構，包含：一親水支撐基材；一導電層，塗佈於該親水支撐基材外側，其中該導電層具有一第一區段及一第二區段；及一吸濕層，塗佈於該導電層之該第一區段，使該可撓式長效清淨能源發電裝置形成非對稱結構；藉此，該吸濕層係擷取環境中水分，水分因應毛細作用力及蒸發現象形成毛細壓力差，而使水分子與離子由濕潤之該吸濕層區域朝向乾燥之該第二區段移動，據此形成電位差。據此可見，本發明係利用吸濕材料於自然環境中之濕度空氣抓取水分，最後再藉由親水支撐基材與塗佈於上之導電層構成之結構，因應毛細作用力與蒸發作用產生自發性電動能產電效應，如此可有效解決需施加外部壓力之不便以及不可撓的問題，同時更可獲得極佳之發電效率。

另本發明亦提出一種自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置，為多層狀薄膜結構，包含：一親水支撐基材；一導電層，塗佈於該親水支撐基材外側，其中該導電層具有一第一區段及一第二區段；一保濕層，塗佈於該導電層之該第一區段；一吸濕層，塗佈於該保濕層外側，使該可撓式長效清淨能源發電裝置形成非對稱結構；藉此，該吸濕層係擷取環境中水分，水分因應毛細作用力及蒸發現象形成毛細壓力差，而使水分子與離子由濕潤之該吸濕層與該保濕層區域朝向乾燥之該第二區段移動，據此形成電位差。據此可見，本發明係利用吸濕材料於自然環境中之濕度空氣抓取水分，並搭配保濕層結構以儲存水分與延緩水分蒸發，最後再藉由親水支撐基材與塗佈於上之導電層構成之結構，因應毛細作用力與蒸發作用產生自發性電動能產電效應，並獲得極佳之發電效率。

較佳地，於一實施態樣中，該第一區段長度為該第二區段長度之30～35%，如此係可更好地使裝置兼具吸濕效果與發電效率。

較佳地，於另一實施態樣中，該吸濕層之材料係選自氯化鈣、膨潤土、矽膠、樟木或竹炭其中之一，而具備價格低廉且易於取得之優點。

較佳地，於次一實施態樣中，該保濕層之材料係為金屬有機骨架材料，以具備價格低廉之優點，且據此可使保濕層更易於吸附較多水分並保住水分，達到更為長效持久的電動能源輸出。

較佳地，為使導電層具有較好之傳輸效能以及考量材料取得難易度，於一實施態樣中，該導電層之材料係選自零維碳黑粒子、一維奈米碳管、奈米銀線或二維之石墨烯、MXene。

較佳地，於再一實施態樣中，該親水支撐基材係選自纖維素紙、棉布或蠶絲布料其中之一，而可確實具有可撓特性，有助於未來使用於穿戴型電子裝置上。

綜上所述，本發明所提供新穎之長效、高效能、自運作環境吸濕產電裝置，置放於一般環境濕度環境下，即可自發性吸濕運作產電，只要環境中具有濕度來源，此裝置即可產生源源不絕的電力。而本裝置成功之主要關鍵即在於所設計之非對稱薄膜結構，吸濕材料端能於環境濕度中擷取源源不絕之水分，親水支撐基材除了可提供整體薄膜一定程度之可彎曲性外，亦可與導電材料形成微奈米通道，提供電動離子傳輸使用；此外，非對稱薄膜設計也將因為薄膜另一端始終維持乾燥性，誘發明顯之蒸發與毛細作用力，進而提升電動能源輸出效能。進一步地，為了維持非對稱薄膜兩端之穩定濕度非對稱性，本發明亦提出增設保濕層之技術方案，並首次將具有親水、吸水作用之金屬有機骨架MOF材料給導入薄膜吸濕層端，以利用此孔洞材料之高比表面積，達到保水作用，以達到更穩定、長效之電動能產電輸出。也由於本發明電動能產電裝置製備流程簡易，相關所使用材料皆為大眾、便宜且好取得之材料，且發電過程不受環境限制，且無需添加任何外加水源、亦不需施加外加壓力梯度場，可實現從沙漠到綠洲，皆可達到穩定、長效、高性能發電輸出，相信未來於低能耗電子設備具有極高之商用價值。

為使本領域具有通常知識者能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。

首先，請參閱第1及2圖，其係為本發明較佳實施例之可撓式長效清淨能源發電裝置結構示意圖及剖面示意圖，其中為利於閱讀者得以清楚知悉本發明之技術特徵，圖中所繪之結構非表示實際厚度、長度、寬度等尺規比例，實際上本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置係為薄膜狀之結構體，合先敘明。本發明係揭示一種自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置1，為多層薄膜結構，包含一親水支撐基材10、一導電層11及一吸濕層12。該導電層11塗佈於該親水支撐基材10外側，其中該導電層11具有一第一區段111及一第二區段112，該第一區段111與該第二區段112係呈鄰接設置。該吸濕層12塗佈於該導電層11之該第一區段111，使該可撓式長效清淨能源發電裝置1形成非對稱結構。藉此，該吸濕層12係擷取環境中水分，水分因應毛細作用力及蒸發現象形成毛細壓力差，而使水分子與離子由濕潤之該吸濕層12區域朝向乾燥之該第二區段112移動，據此形成電位差。以第2圖為例，該可撓式長效清淨能源發電裝置1係呈現左、右非對稱狀態之層狀薄膜結構，在具備該導電層11及該吸濕層12之右側區域，主要功能為環境吸濕，左側則為相對乾燥之該導電層11之該第二區段112。該親水支撐基材10可為任意親水之多孔薄膜材料，並當作蒸發與毛細作用力下之水傳輸微奈通道，其中該親水支撐基材10除可引導毛細作用力產生毛細壓力驅動水與離子運動外，亦可當作可撓基材使用，而使該可撓式長效清淨能源發電裝置1具備可撓特性。該導電層11可為任意具導電性質之可塗佈形成薄膜狀結構之材料，其功用為在含水環境下與該親水支撐基材10形成壁面帶電荷之微奈通道，提供電動能轉換中水與離子傳輸使用，並能提供外部電子、電動傳導功效，降低與外部電極間之接觸電阻。該吸濕層12係具備能由大氣環境中擷取濕氣水分之能力，進而提供該可撓式長效清淨能源發電裝置1形成兩端不對稱濕度。

請一併參閱第3圖，其係為本發明較佳實施例之可撓式長效清淨能源發電裝置應用示意圖。應用上，與過去電動能產電裝置最大不同是，僅需將該可撓式長效清淨能源發電裝置1於室溫下置放於具濕度之一般大氣環境中，即可自發地吸收大氣環境中的濕氣，濕氣係被該吸濕層12由環境中擷取凝結於上，此時該親水支撐基材10與該導電層11之帶電微奈通道壁面將出現豐富的反離子累積現象，且該可撓式長效清淨能源發電裝置1之兩端將出現不對稱濕度，亦即具有該吸濕層12之區域為潮濕端，另一端為乾燥端，此時水分將因毛細作用力及蒸發現象形成毛細壓力梯度，促使水分子與帶電通道壁面上之反離子由潮濕端往乾燥端移動，進而在該可撓式長效清淨能源發電裝置1兩端產生流動電位或流動電流，以驅動外部電子設備。如此，即便於一般濕度環境下，該可撓式長效清淨能源發電裝置1具有該吸濕層12之端將可源源不絕地於環境濕氣中擷取水分，而與為乾燥端之該導電層11之該第二區段112搭配，使該可撓式長效清淨能源發電裝置1創造出兩端持續具備不對稱濕度之表現，再因應毛細壓力差，讓該可撓式長效清淨能源發電裝置1上之水分與離子由潮濕區域往乾燥區域移動，蒸發現象則可提升水分離子傳輸速率，進而達到長效運作且高效輸出之自發環境吸濕電動能產電應用。其中，鑒於該吸濕層12係可持續地由所處之大氣環境中擷取水分，因此在保存上，係可將該可撓式長效清淨能源發電裝置1存放於真空環境中，例如將其進行真空包裝或是放置於真空箱內等，即可有效地在非使用狀態下保存該可撓式長效清淨能源發電裝置1。

請續搭配參閱第1、3及4圖，其中第4圖為本發明另一較佳實施例之可撓式長效清淨能源發電裝置剖面示意圖，其中為利於閱讀者得以清楚知悉本發明之技術特徵，圖中所繪之結構非表示實際厚度、長度、寬度等尺規比例，實際上本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置係為薄膜狀之結構體，合先敘明。於本實施例中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1亦包含有該親水支撐基材10、該導電層11及該吸濕層12，與前一實施例之差異在於，該可撓式長效清淨能源發電裝置1係更包含一保濕層13，該導電層11係塗佈於該親水支撐基材10外側，其中該導電層11具有一第一區段111及一第二區段112。該保濕層13塗佈於該導電層11之該第一區段111，而該吸濕層12則塗佈於該保濕層13外側，使該可撓式長效清淨能源發電裝置1形成非對稱結構。藉此該吸濕層12係擷取環境中水分，水分因應毛細作用力及蒸發現象形成毛細壓力差，而使水分子與離子由濕潤之該吸濕層12與該保濕層13區域朝向乾燥之該第二區段112移動，據此形成電位差。於本實施例中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1亦為兩端不對稱之層狀薄膜結構，在該導電層11與該吸濕層12之間，係更設置了該保濕層13，以達鎖水保濕之效果，有效延長使用時間。以第4圖為例，該可撓式長效清淨能源發電裝置1右側主要功能為環境吸濕儲水與保濕，左側則為相對乾燥區域，最內部之該親水支撐基材10可當作蒸發和毛細作用力下之水傳輸微奈通道，該導電層11則是可在含水環境下形成壁面帶電荷之微奈通道。右側之該保濕層13係具備親水且可提供鎖水、減緩水分蒸發之功效，並可為具有高吸水、保水特性之薄膜或孔洞材料所製成，該保濕層13外側之該吸濕層12，即供以擷取大氣環境中之濕氣水分，進而提供該可撓式長效清淨能源發電裝置1形成兩端不對稱之濕度。其餘關於該親水支撐基材10、該導電層11與該吸濕層12之細部特徵說明，請復參閱上述段落內容，於此即不重述。

同樣地，於應用上僅需將該可撓式長效清淨能源發電裝置1放置於一般濕度之大氣環境下，該吸濕層12即可開始擷取大氣中的濕氣並使其凝結，而該保濕層13亦將發揮鎖水特性，將凝結水主要集中於該可撓式長效清淨能源發電裝置1之一側，避免降低該可撓式長效清淨能源發電裝置1兩側之濕度不對稱性，亦可減緩水分過度蒸發。當水分由該可撓式長效清淨能源發電裝置1一端凝結後，該親水支撐基材10及該導電層11之帶電微奈通道壁面將出現豐富反離子累積現象，且該可撓式長效清淨能源發電裝置1兩端亦將出現不對稱濕度，此時水分將因毛細作用力與蒸發現象形成毛細壓力梯度，促使水分子和帶電通道壁面上之反離子由潮濕端往乾燥端移動，而在該可撓式長效清淨能源發電裝置1兩端產生流動電位或流動電流，進而驅動外部電子設備。其餘更為細部之作動說明，請復參閱上述段落內容，於此即不重述。

另較佳地，係可使該第一區段111長度為該第二區段112長度之30～35%，以讓該可撓式長效清淨能源發電裝置1能形成足夠的濕度差異，進而提升整體發電效能。該第一區段111長度與該第二區段112長度比例介於前述範圍時，係可確保吸濕端能具有足夠的濕潤度，同時又能保有足夠之乾燥區域，以確實地形成濕度差異。於一較佳實施態樣中，該第一區段111長度係為該第二區段112長度之33%。

另具體實施上，在前述兩種結構示例中(具備保濕層與未具備保濕層之結構)，該親水支撐基材10可選用纖維素紙、棉布或蠶絲布料其中之一，以具材料成本低廉之優點，同時又有極佳親水性表現，當然亦可選用其他具親水特性與支撐力之親水材料。該吸濕層12之材料係可選自氯化鈣 (CaCl ₂)、膨潤土(Bentonite)、矽膠、樟木或竹炭其中之一，以具有成本低廉且易於取得之功效，並利於實現自發於環境濕度中吸水傳輸之電動能產電作動。而該導電層11較佳地可選自零維碳黑粒子(Carbon Black, CB)、一維之奈米銀線、奈米碳管或二維之石墨烯(Graphene, G)、MXene(二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物)其中之一，以具有低成本且易於取得之優點，當然其餘之導電材料亦適用於此。而當該可撓式長效清淨能源發電裝置1設有該保濕層13時，該保濕層13之材料係可選用金屬有機骨架材料(MOF)，以具有較高比表面積、較多活性位點，而可吸附更多水分並保持水分，以達更長效持久之電動能源輸出。

本發明團隊係針對上述兩種非對稱態樣之該可撓式長效清淨能源發電裝置進行各項實驗測試，其實驗結果將如下各段落所述。並由實驗結果可知，該可撓式長效清淨能源發電裝置1以有別於現有技術之新穎結構特徵，確實地表現出優異之電動能產電效能與極長之使用時效。在實際應用上，該可撓式長效清淨能源發電裝置1僅須在一般濕度環境下，透過擷取大氣環境中之水分，就可具備長效且優異之電動能產電效果，故可適用於緊急狀況下之即時性發電需求。進一步地，即便是在例如沙漠般溼度極低(RH 20%左右)之環境中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1亦能保持運作並具備極佳之發電效能，此部分於後係有提出對應實驗結果。同時，該可撓式長效清淨能源發電裝置1於發電過程中不會產生任何汙染物，因而符合清淨之產電應用，不會為環境帶來不良影響。最後該可撓式長效清淨能源發電裝置1之可撓特性，則使其可進一步地適用於穿戴性裝置上，而在未來具有極佳前瞻性。

首先請參閱第1、2及5A、5B圖，其中第5A及5B圖為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第一種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖與短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖。一般而言，在開路（open circuit）條件下，電流無法通過系統，可量測到電動能產電裝置可輸出之開路電壓V _OC；反之，在短路（short circuit）條件下，則可量測到裝置可輸出之短路電流I _SC，此V _OC與I _SC兩數值之輸出大小與可輸出時間即可代表相關裝置之電動能產電效能。於本實驗中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1之結構係如第1、2圖所示，其中該親水支撐基材10係選用纖維素紙，該導電層11係選用零維碳黑粒子，該吸濕層12係選用氯化鈣。該實驗結果顯示，於此結構下之該可撓式長效清淨能源發電裝置1接觸到環境大氣時(相對濕度約RH 50±4%)，V _OC與I _SC會自發性急遽上升，且最大可輸出V _OC約0.22 V、I _SC約2 μA，而可達成自發性環境吸濕電動能產電輸出，並且已具備優異的發電效能，同時在此設計下該可撓式長效清淨能源發電裝置1之所有組成材料皆相當便宜，著實提供高效便宜之選擇。

接續請一併參閱第1、2及6A、6B圖，其係為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第二種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖與短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖，以探討不同的導電材料之效能影響。於本實驗中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1之結構係如第1、2圖所示，其中該親水支撐基材10係選用纖維素紙，該導電層11係選用二維石墨烯，該吸濕層12係選用氯化鈣。該實驗結果顯示，於此結構下之該可撓式長效清淨能源發電裝置1接觸到環境大氣時(相對濕度約RH 50±4%)，V _OC與I _SC一樣會自發性急遽上升，且最大可輸出V _OC約0.25 V、I _SC約5.3 μA，因此，將該導電層11之材料替換為二維石墨烯，同樣可達到自發性環境吸濕電動能產電目的。

請再一併參閱第1、2及7A、7B圖，其中第7A及7B圖為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第三種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖與短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖，以探討不同的親水基材之效能影響。於本實驗中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1之結構係如第1、2圖所示，其中該親水支撐基材10係選用棉布，該導電層11係選用零維碳黑粒子，該吸濕層12係選用氯化鈣。實驗結果顯示，此結構之該可撓式長效清淨能源發電裝置1接觸到環境大氣時(相對濕度約RH 50±4%)，平均最大可輸出V _OC約0.12 V、I _SC約6.9 μA，因此，將該親水支撐基材10替換為棉布，依舊可達成自發性環境吸濕電動能產電目的。

請再一併參閱第1、2及8A、8B圖，其中第8A及8B圖為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第四種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖與短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖，以探討不同的親水基材之效能影響。於本實驗中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1之結構係如第1、2圖所示，其中該親水支撐基材10係選用纖維素紙，該導電層11係選用零維碳黑粒子，該吸濕層12係選用膨潤土。實驗結果顯示，此結構之該可撓式長效清淨能源發電裝置接觸到環境大氣時(相對濕度約RH 50±4%)，平均最大可輸出V _OC約0.47 V、I _SC約0.52 μA，雖在此結構態樣中，因膨潤土的環境吸濕能力較氯化鈣低下，導致I _SC相較於第一種結構態樣為低，但將該吸濕層12之材料替換為膨潤土，依舊可達成自發性環境吸濕電動能產電目的。

請一併參閱第4及9A、9B圖，其中第9A及9B圖為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第五種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖與短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖，以探討設置保濕層之效能影響。於本實驗中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1之結構係如第4圖所示而具有該保濕層13，其中該親水支撐基材10係選用纖維素紙，該導電層11係選用零維碳黑粒子，該吸濕層12係選用氯化鈣，該保濕層13係選用金屬有機骨架材料中的MOF-808。實驗結果顯示，此結構之該可撓式長效清淨能源發電裝置1接觸到環境大氣時(相對濕度約RH 50±4%)，V _OC和I _SC開始自發性急遽上升，且最大可輸出V _OC約0.49 V、I _SC約5.35 μA。更重要的是，此裝置即使發電運作了2天（48小時），V _OC還可保持在約0.47 V、I _SC保持在約4.17 μA，顯示電動能輸出效能僅下降22 %，具有極優越之長效發電效果，而在將此裝置連續發電運作拉長至60小時，V _OC還可保持在約0.41 V、I _SC保持在約3.6 μA，顯示電動能輸出效能尚可維持在初始值之56 %。故由此實驗結果可知，增設該保濕層13後，該可撓式長效清淨能源發電裝置1之輸出V _OC和I _SC可獲得更大幅度之提升，並且亦有效地延長了發電運作時間，佐證該保濕層13對於該可撓式長效清淨能源發電裝置1之效能提升具有很好的幫助。

接續請參閱第4及10A、10B圖，其中第10A及10B圖為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第五種結構態樣下，彎曲不同角度後所輸出之連續短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖與連續開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖，以探討彎曲角度對發電效能之影響。於本實驗中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1之結構與所選材料係如上段內容所述，該親水支撐基材10係選用纖維素紙，該導電層11係選用零維碳黑粒子，該吸濕層12係選用氯化鈣，該保濕層13係選用MOF-808。實驗結果顯示，當彎曲角度由150度變化至0度(亦即如第3圖所示之平放狀態)時，該可撓式長效清淨能源發電裝置1所能輸出之V _OC與I _SC幾乎沒有變化，顯示彎折狀態並不會影響裝置效能，驗證該可撓式長效清淨能源發電裝置1具有極佳之可撓性，未來於例如穿戴性電子產品之使用上可具有高應用價值。

請一併參閱第4及11A、11B圖，其中第11A及11B圖為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第五種結構態樣下，在不同相對溼度所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖與短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖。於本實驗中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1之結構與所選材料係如上段內容所述，該親水支撐基材10係選用纖維素紙，該導電層11係選用零維碳黑粒子，該吸濕層12係選用氯化鈣，該保濕層13係選用MOF-808。在此，本發明團隊係探討環境相對濕度對於該可撓式長效清淨能源發電裝置1所輸出之V _OC和I _SC影響，實驗結果顯示，該可撓式長效清淨能源發電裝置1無論是接觸到類沙漠相對濕度(RH 20±2%)、一般環境相對濕度(RH 50±4%)或是山上森林相對濕度(RH 80±2%)，均可正常運作使用。當環境濕度極低時(RH 20±2%)，平均V _OC和I _SC亦可分別維持在0.2V與3 μA以上；反之，當環境溼度極高時(RH 80±2%)，因環境中富含豐富的溼氣，因此該可撓式長效清淨能源發電裝置1最高可輸出V _OC和I _SC甚至可分別達到0.56 V和16.1 μA。由該些實驗數據可證，無論是低濕度類沙漠或是高濕度森林環境，本發明均可達成環境自發性吸濕電動能產電之目的。

請再一併參閱第4及12A、12B圖，其中第12A及12B圖為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第六種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖與短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖，以探討不同導電材料對於發電效能之影響。於本實驗中，該可撓式長效清淨能源發電裝置1之結構係如第4圖所示，其中該親水支撐基材10係選用纖維素紙，該導電層11係選用二維石墨烯，該吸濕層12係選用氯化鈣，該保濕層13係選用MOF-808。與第9A及9B圖之結果相似，當該可撓式長效清淨能源發電裝置1接觸到環境大氣時(相對濕度約RH 50±4%)，V _OC與I _SC開始自發性急遽上升，最大可輸出V _OC約0.5 V、I _SC約13.6 μA，且運作了2天（48小時）後，即使中間發電效能因為環境濕度與溫度因素有些許起伏，但相關V _OC最後還是維持在約0.5 V、I _SC在約13.6 μA，發電效能與初始數據相差無幾，直至連續發電60小時後，此裝置V _OC與I _SC輸出效能才開始下降。並與第五種結構態樣的該可撓式長效清淨能源發電裝置1比較後可知，當使用二維石墨烯當作該導電層11材料時，相關電動能產電效能（V _OC與I _SC）明顯較高，主要原因在於二維石墨烯材料相較於零維碳黑粒子材料具有較佳之面導電性，且二維石墨烯材料可與該親水支撐基材10形成更有序之微奈通道，避免水分在傳輸中因蒸發現象而提早消失，因此若選用二維石墨烯材料作為該導電層11，則是可更進一步地提升該可撓式長效清淨能源發電裝置1之整體發電效能。

綜上所述，本發明所提供新穎之長效、高效能、自運作環境吸濕產電裝置，只要置放於一般環境濕度環境下，即可自發性吸濕運作產電，只要環境中具有濕度來源，此裝置即可產生源源不絕的電力，以實現永續清淨能源產電之目的。本裝置成功之主要關鍵即在於所設計之非對稱薄膜結構，吸濕材料端能於自然環境之濕度空氣中擷取水分，親水支撐基材除了可提供整體薄膜一定程度之可彎曲性外，亦可與導電材料形成微奈米通道，提供電動離子傳輸層使用，而非對稱薄膜設計也將因為薄膜另一端始終維持乾燥性，可透過該親水支撐基材與該導電層誘發明顯之蒸發與毛細作用力，進而產生自發性電動能產電效應並提升電動能源之輸出效能。進一步地，為了維持非對稱薄膜兩端之穩定濕度非對稱性，本發明亦提出增設保濕層之技術方案，並首次將具有親水、吸水作用之金屬有機骨架MOF材料導入薄膜吸濕層端，以利用高比表面積，達到保水作用，以達到更穩定、長效之電動能產電輸出。也由於本發明電動能產電裝置製備流程簡易，相關使用材料皆為便宜且好取得之材料，且發電過程不受環境限制，無需添加任何外加水源、亦不需施加外加壓力梯度場，在各種環境下，皆可達到穩定、長效、高性能發電輸出，相信未來於低能耗電子設備具有極高之商用價值。

值得一提的是，本發明所提出之該可撓式長效清淨能源發電裝置，可確實使裝置無使用環境上的限制，從沙漠至綠洲、從鄉下至城市皆可使用，而在正常相對溼度RH 50±4%左右環境下，該裝置之輸出開路電壓V _OC與短路電流I _SC皆具有極優良之表現，甚至在具備保濕層之結構下可進行連續發電超過三天之長效輸出，發電過程中保持穩定，無明顯發電效能下降現象之表現。在現今能源缺乏與綠色環保之概念時代，本發明著實提出使用上相對清淨環保，並在發電效能上具有大幅度躍進之裝置，除了適於利用在例如穿戴式裝置上，也可結合織物、衣物使用，或應用於各類低能耗設備上；同時在一些緊急危難之情況下，透過該可撓式長效清淨能源發電裝置，即可無須任何外加資源即可直接提供所需之基礎電力，在緊急救難上亦具有極佳之可應用性。

惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；故在不脫離本發明之範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

1:可撓式長效清淨能源發電裝置 10:親水支撐基材 11:導電層 111:第一區段 112:第二區段 12:吸濕層 13:保濕層

第1圖，為本發明較佳實施例之可撓式長效清淨能源發電裝置結構示意圖。第2圖，為本發明較佳實施例之可撓式長效清淨能源發電裝置剖面示意圖。第3圖，為本發明較佳實施例之可撓式長效清淨能源發電裝置應用示意圖。第4圖，為本發明另一較佳實施例之可撓式長效清淨能源發電裝置剖面示意圖。第5A圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第一種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖。第5B圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第一種結構態樣下所輸出之短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖。第6A圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第二種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖。第6B圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第二種結構態樣下所輸出之短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖。第7A圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第三種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖。第7B圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第三種結構態樣下所輸出之短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖。第8A圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第四種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖。第8B圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第四種結構態樣下所輸出之短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖。第9A圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第五種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖。第9B圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第五種結構態樣下所輸出之短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖。第10A圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第五種結構態樣下，彎曲不同角度後所輸出之連續短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖。第10B圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第五種結構態樣下，彎曲不同角度後所輸出之連續開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖。第11A圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第五種結構態樣下，在不同相對溼度所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖。第11B圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第五種結構態樣下，在不同相對溼度所輸出之短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖。第12A圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第六種結構態樣下所輸出之開路電壓V _OC變化實驗數據曲線圖。第12B圖，為本發明之可撓式長效清淨能源發電裝置於第六種結構態樣下所輸出之短路電流I _SC變化實驗數據曲線圖。

1:可撓式長效清淨能源發電裝置

10:親水支撐基材

11:導電層

111:第一區段

112:第二區段

12:吸濕層

Claims

一種自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置，為多層狀薄膜結構，包含：一親水支撐基材；一導電層，塗佈於該親水支撐基材外側，其中該導電層具有一第一區段及一第二區段；及一吸濕層，塗佈於該導電層之該第一區段，使該可撓式長效清淨能源發電裝置形成非對稱結構；藉此，該吸濕層係擷取環境中水分，水分因應毛細作用力及蒸發現象形成毛細壓力差，而使水分子與離子由濕潤之該吸濕層區域朝向乾燥之該第二區段移動，據此形成電位差。
如請求項1所述之可撓式長效清淨能源發電裝置，其中，該第一區段長度為該第二區段長度之30～35%。
一種自發性吸濕之可撓式長效清淨能源發電裝置，為多層狀薄膜結構，包含：一親水支撐基材；一導電層，塗佈於該親水支撐基材外側，其中該導電層具有一第一區段及一第二區段；一保濕層，塗佈於該導電層之該第一區段；及一吸濕層，塗佈於該保濕層外側，使該可撓式長效清淨能源發電裝置形成非對稱結構；藉此，該吸濕層係擷取環境中水分，水分因應毛細作用力及蒸發現象形成毛細壓力差，而使水分子與離子由濕潤之該吸濕層與該保濕層區域朝向乾燥之該第二區段移動，據此形成電位差。
如請求項3所述之可撓式長效清淨能源發電裝置，其中，該第一區段長度為該第二區段長度之30～35%。
如請求項3或4所述之可撓式長效清淨能源發電裝置，其中，該保濕層之材料係為金屬有機骨架材料。
如請求項1或2或3或4所述之可撓式長效清淨能源發電裝置，其中，該吸濕層之材料係選自氯化鈣、膨潤土、矽膠、樟木或竹炭其中之一。
如請求項1或2或3或4所述之可撓式長效清淨能源發電裝置，其中，該導電層之材料係選自碳黑粒子、石墨烯、MXene、奈米銀線或奈米碳管其中之一。
如請求項1或2或3或4所述之可撓式長效清淨能源發電裝置，其中，該親水支撐基材係選自纖維素紙、棉布或蠶絲布料其中之一。