達人專欄服用該文章須知，本文作者並非材料工程學系背景，故文章中若有錯漏還請告知，謝謝。
一、 前言
(圖片來源：newatlas)(完整連結在此)
根據 NEW ATLAS 的報導，澳洲的科技公司 Strategic Elements 正在開發一種利用水氣進行自我充電的技術，目前該技術透過新南威爾士大學的研究團隊發表在 sciencedirect 上的文章，發現似乎相當可行，也從側面印證該技術的發想不僅是天馬行空，而是有實際的研究成果的。
不過該技術所揭露的充電功率並不大，因此目前瞄準的市場將以穿戴裝置為主，比方藍芽耳機、智慧運動手錶等等，而當該項技術套用上穿戴裝置時，可以想像未來的穿戴裝置將不需要再有充電孔，也不需要任何外來的電源替你的穿戴裝置充電，因為它可以利用水氣為自己充電，目前該公司預計在第三季時公開發表該技術的實際應用。
然而該公司卻沒有透露任何該技術的工作方式，因此我們只能透過前面提到發表在 sciencedirect 上的文章略知一二，而我們之所以可以透過這篇文章來猜測該公司的技術，其原因便是該文章的作者 Dewei Chu 博士 ，他同時是該公司的團隊負責人，所以這項技術很有可能就是這篇研究文章的商業化。
從上述的展望來看，這項技術的相當的迷人，居然可以讓電池透過水氣自我充電，這簡直就是黑科技一般的存在，水氣幾乎可以說是無處不在，甚至取之不盡、用之不竭，完全符合潔淨能源的概念，不得不讚嘆這項發明無異於開闢了一個能源的新時代。
二、 發電裝置的材料
(圖片來源：newatlas)(完整連結在此)
接下來我們便來介紹一下，這個發電裝置需要的是什麼樣的材料，而這些材料又分別在該試驗中具有什麼樣的意義：
1. 氧化石墨烯(GO)：該材料是將石墨原材料透過 Hummers 法，將石墨氧化而成，並將所產出的 GO 透過超聲波處理三十分鐘而製成。選用該素材，主要原因便是其取得容易，再者便是其優異的親水性與硬體性能。
首先我們先來介紹 Hummers，直接念的話，大家可能跟我一樣會念成悍馬，但這並不是指悍馬車，而是一種氧化石墨一種方法，具體做法是將一定比例的石墨與硝酸鈉在冰浴中加入硫酸，等硝酸鈉完全溶解後，在加入過錳酸鉀，接著等待過錳酸鉀及硝酸鈉溶解後，在溫度為 35 度反應至糊狀，約 40 分鐘，接著再移回冰浴，並緩慢的加入去離子水，加完後，再移至溫度為 98 度反應至溶液呈現褐色，約 30 分鐘，最後加入溫水過濾，以濾掉反應中可能會產生的苯六甲酸，隨後加入含有過氧化氫的去離子水，以去除為反應完全的過錳酸鉀及二氧化錳，接著將氧化石墨烯過濾至中性，並藉由冷凍乾燥，去除水份。
形成氧化石墨烯後為何還要經過超聲波的震動呢？
就是為了讓氧化石墨烯的層與層之間的間距更大，而這一點在接下來的試驗中極為重要，因為這一做法將大大的提高當發電裝置吸收到水氣時的發電能力。
另外超聲波在還原氧化石墨烯時，具有重要的地位，在空化效應，高溫，高壓，微射流，強振動等附加效應下，分子間的距離會不斷增加，最終導致分子破碎，形成單分子結構，使其易於被剝離成單層氧化石墨，為進一步製備單層石墨烯打下基礎。
2. 聚乙烯醇(PVA)：選用該素材，原因有二，一親水性高，二可作為黏著劑。
PVA 與 GO 以 1 : 1 的質量比黏貼在摻氟的氧化錫導電玻璃上，並在其邊緣貼上絕緣膠帶以免短路。
GO/PVA 所形成的薄膜對於該試驗帶來非凡的意義，它在 32 % 的HCL，酸化後有著極為良好且穩定的電力輸出，這項成果在目前的其他研究中是絕對的出類拔萃。
3. 鹽酸(HCL)：該素材為酸化發電裝置所用，酸化後必須將用蒸餾水洗滌至 PH值為 7 呈現中性，以保證實驗不受到 HCL 的溶液影響，在試驗中發現 32 % 的濃度酸化發電裝置，能得到最佳的成果，另外試驗中還有拿乙酸、氫氧化鈉一同比較，發現 HCL 酸化後的發電效果是最佳的。
4. 硝酸銀(Ag)：該素材被塗在 GO/PVA 上，並作為頂部電極存在，在 HCL 酸化後，需要用蒸餾水清洗，確保不會再受到氯離子的影響，以此穩定其作為電極的作用。
5. 摻氟的氧化錫導電玻璃(FTO)： FTO 作為整個發電裝置的基板，同時也作為底部電極的存在，先用乙醇及去離子水清洗整個 FTO，接著用紫外線照射 30 分鐘，以保證 FTO 的導電性不受到汙染，能夠以最佳的狀態進行試驗。
前面雖然提到 GO/PVA 薄膜的有著良好且穩定的發電能力，但這也脫不開作為電極的 Ag 與 FTO，因此 GO/PVA 、Ag、FTO、HCL 等素材在此試驗中都扮演著極為重要角色，絕對的缺一不可。
三、 發電裝置的原理
(圖片來源：newatlas)(完整連結在此)
先簡單的解釋一下發電的原理，接著再介紹細節：
當空氣中的水份從 GO/PVA 薄膜的頂部被吸收時，吸收進來的水份會促使官能基(-COOH)解離，從而釋放出正氫離子並作為電荷用於發電，而不再從空氣中吸收到水份時，該離子將復歸並結束發電的動作，意即當濕度足夠時便會執行發電功能，乾燥時則停止發電。
以上便是該裝置的發電原理，看似單純的設計，但其細節卻有著滿滿的技術含量，由於細節繁多，因此僅揀選了幾個讓我相當驚艷的細節來介紹：
上述的材料介紹中，我們提及了 32 % 的 HCL 酸化是最佳的濃度，但前提是經過蒸餾水清洗後，PH值為 7 的中性狀態，這是為何呢？
首先在溼度 75 %且 HCL 濃度從 0.0 % 、 0.5 % 、 1.0 % 、 16 % 、 32 % ，所量測出的電壓結果分別為 0.5 V 、 0.61 V 、 0.69 V 、 0.82 V 、 0.85 V ，這些結果超過兩小時都沒有下降的趨勢，甚至根據紀錄指出連續擺放一周數據仍一致，這意味著該電壓的輸出穩定性極佳，並透過該濃度的差異可以看出，濃度越高將在 GO/PVA 頂部與底部形成更大的電化學梯度，從此造成更大的電壓。
(圖片來源：sciencedirect)(完整連結在此)
在原理面，我們知道電是來自於正氫離子作為電荷移動時所產生，但由於 HCL 溶液也含有氫離子，因此才會需要洗滌至 PH值呈現中性態來進行試驗，這是為了證明此處所產生的正氫離子是由於官能基的解離而產生，而非來自 HCL 溶液的影響。
(圖片來源：sciencedirect)(完整連結在此)
從上述的發電量來看，很顯然這是不足以應用在任何穿戴裝置上面的，但只要透過串聯或並聯將發電裝置接在一起，便能發現電壓與電流是可以自由調整的，從實驗的數據來看，當四個發電裝置串聯在一起時，便可得到高達 3.38 V ，而並聯的四個的電流則可達到 38.95 μA ，電流的數據看起來還是不高，但仍就可以繼續添加裝置便可得到更高的電流，因此從此可見其巨大的商業化潛力。
(圖片來源：sciencedirect)(完整連結在此)
根據該實驗的影片，我們可以知道實驗團隊將 40 個裝置分成 2 組，每一組 20 個且將之並聯，再將 2 組裝置串聯起來，以此發電量提供計算機運作，該試驗影片完全的證明了串聯與並聯的應用是可以推動 3C 產品的，當然串的越多發電裝置就越大，這樣的結果是不合乎預期的，因此還需要持續的突破。
另外既然說是為了穿戴裝置設計的，那麼肯定會遇到彎曲的時候，比方手錶的錶帶，若將電池藏在錶帶內，是否會影響其發電效率？抑或是作為電子皮膚貼片時，不同部位的曲率各不相同，那麼其發電率是否受到影響？
於是實驗人員為了證明的它的靈活性，他們將發電裝置一秒內從 0 度彎曲至 120 度，並重複該過重 2000 次，結果是發電裝置所能產生的最大電壓為原來的 93 %，但僅僅如此不足以表示其在長時間彎曲的表面的效果，於是實驗團隊使用三組發電裝置，分別貼在三個不同半徑的玻璃瓶上，其半徑分別 0.0 cm、 0.5 cm、 1.0 cm，結果在溼度 75 %的情況下，得到的數據分別為 0.83 V、0.85 V、 0.84 V，可以發現曲面依然可以得到穩定的電壓，而這也再次肯定該技術對於穿戴裝置有著不容忽視的潛力。
四、 結論
(圖片來源：wiki)(完整連結在此)
這項電池技術的革新顯然是為替代能源注入了一根強心針，這項技術不僅僅是浮於理論層面，而是已有實驗驗證可行的方案，現在只是缺乏商業化，只要能做出更小更細的發電裝置，以其製作材料的普遍性和靈活的適用性上，幾乎可以說是劃時代的新科技，完全是可以顛覆整個能源產業的一條新路線，依靠水氣發電，不僅沒有發電原料的煩惱，還能真正地達到發電過程零汙染的潔淨能源，雖然穿戴裝置自我充電技術的發明，並不能立刻減少全球排碳量的激增，但它確實能為淨零排碳貢獻一分力量。
另外根據報導這種類似電子皮膚貼片的相關產品，在 2021 年有超過 100 億美元的商機，而在 IDTechEx 的報告中甚至預測該市場到了 2031 年將成長至 300 億美金以上，它所涵蓋的場域相當的多元，比如方才提到的商業用途穿戴裝置，還有醫療用途的心血管監測，科研用途或軍事用途等等，不難想像當該技術成功商轉後，將對市場帶來多大的震撼？想想看多少裝置不再需要額外的充電，它幾乎隨時都在自體充電，這樣一來就算遭遇極端的氣候災難時，這些穿戴裝依然能正常運轉，如此一來不僅可以讓人們在黑暗中看見光明，又能夠維持需要這些穿戴裝置才能夠續命的病人。
當然上述的想像都是只是想像，儘管已經有樣品和完整的研究文章佐證該技術的真實性，但說到底還是要能夠商轉這一切才有繼續向下發展的可能，不過我還是想再次強調，目前的穿戴裝置最大的硬體瓶頸不外乎蓄電量，當電池沒電的時候，你手上的那顆智慧運動手錶甚至連看時間的功能都做不到，而該技術便能根絕電池沒電的可能性，但依然還是有電池壽命的問題，畢竟充放電久了，電池的蓄電量就會下降，到了最後電池就完全無法蓄電，若是這項技術能提供的功率便能推動智慧運動手錶正常運作，那麼電池似乎也沒有存在的意義，這麼一來似乎也能間接地解決電池壽命的問題了。
最後感謝大家的觀看，這篇文章真的搞得我頭很痛，第一次接觸這樣的類型的資料，一堆沒看過的材料與工法，花費了不少時間去研讀理解，所幸我還是能生出這篇文章供大家欣賞，也透過這次的經驗，讓我對於材料工程有了深一層的見識，感覺每個材料的搭配就好像煮飯一樣，只要找到對的材料就能煮出美味的大餐，而這些材料也不限定哪幾種，任君嘗試，真的很有趣，順帶一提如果有興趣看看一些環境、時事等評論，不妨來追蹤我的粉絲團唷～
