【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)清潔、可持續(xù)的能源迫在眉睫。雖然太陽(yáng)能和風(fēng)能等技術(shù)發(fā)展迅速，但其受地理和天氣限制的瓶頸依然存在。濕氣發(fā)電機(jī)(MEGs)利用空氣中普遍存在的濕氣發(fā)電，是一種極具潛力的新型分布式能源。然而，濕氣發(fā)電技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，如何開(kāi)發(fā)即使在環(huán)境濕度波動(dòng)下也能維持穩(wěn)定內(nèi)部水梯度并實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定輸出的MEGs，是當(dāng)前面臨的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。
 

　　大自然生物為我們解決這一挑戰(zhàn)性難題提供了材料設(shè)計(jì)的靈感。旱生植物如Agave, Yucca brevifolia, Nitraria sibirica Pall等，它們?nèi)~片上擁有精妙的疏水微孔結(jié)構(gòu)，能夠精準(zhǔn)調(diào)節(jié)水分蒸發(fā)，在嚴(yán)酷環(huán)境中維持體內(nèi)穩(wěn)定的水分平衡(圖 1A)。針對(duì)以上難題，南京大學(xué)唐少春教授團(tuán)隊(duì)從耐旱植物獨(dú)特的水分調(diào)節(jié)過(guò)程獲得靈感，成功研制出一種高性能新型三維結(jié)構(gòu)濕氣發(fā)電機(jī)(3D-SMEG)。該濕氣發(fā)電體積僅有0.1 cm3，卻能產(chǎn)生1.4 V和0.1 mA的輸出，在自然濕氣環(huán)境下能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)1000小時(shí)。特別是，基于可工業(yè)化大面積制備的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，團(tuán)隊(duì)將500個(gè)3D-SMEG進(jìn)行集成，以極低損耗(2.8%)獲得超過(guò)680 V的超高電壓輸出。空氣中的濕氣能夠源源不斷地獲取，該項(xiàng)工作克服了常規(guī)濕氣發(fā)電機(jī)受制于環(huán)境濕度變化波動(dòng)、電能輸出間歇性、功率低等缺陷，為新型電源的開(kāi)發(fā)及其在偏遠(yuǎn)離網(wǎng)地區(qū)的便攜式應(yīng)用開(kāi)辟了一條全新的路徑。
 

　　要點(diǎn)一：濕氣發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)仿生原理及三維SMEG的微納結(jié)構(gòu)特征
 

　　基于結(jié)構(gòu)仿生的理念，團(tuán)隊(duì)模擬旱生植物對(duì)水分調(diào)控的結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出具有連續(xù)吸附-解吸水分能力的三維濕氣發(fā)電機(jī)(3D-SMEG)，圖1B所示。關(guān)鍵在于通過(guò)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)水分蒸發(fā)速率的精確調(diào)控和單向濕離子傳輸(圖1C)。利用帶負(fù)電荷的官能團(tuán)誘導(dǎo)選擇性分離出正電荷及其梯度分布，并基于雙電層效應(yīng)在優(yōu)化的空間電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)高效電荷分離，產(chǎn)生持續(xù)電能輸出。團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)出一種基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)的可定制大面積制備策略(圖1D)，將濕氣發(fā)電單元進(jìn)行有效集成，證實(shí)了規(guī)模化應(yīng)用可行性。特別是，3D-SMEG 對(duì)不同濕度的適應(yīng)性使其適用于全球多種區(qū)域環(huán)境，即使在半干旱和干旱地區(qū)也能實(shí)現(xiàn)高效工作(圖1E)。
 

　　圖1. A. 自適應(yīng)干旱環(huán)境的植物Nitraria sibirica Pall.水分蒸騰過(guò)程；B. 3D-SMEG的結(jié)構(gòu)示意圖；C. 3D-SMEG工作機(jī)理示意圖；D. 絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備可規(guī)模化放大的3D-SMEG集成示意圖；E. 3D-SMEG在6個(gè)代表城市服役的功率密度。

 

　　要點(diǎn)二：研制的三維結(jié)構(gòu)SMEG具有出色的濕氣發(fā)電性能
 

　　圖2展示了3D-SMEG出色發(fā)電性能。單個(gè)體積僅0.1 cm3的器件在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下(25°C, 60% RH)，開(kāi)路電壓高達(dá)1.4 V，短路電流達(dá)到0.1 mA，最大功率密度高達(dá)35 μW/cm2(圖2A, D)。這一關(guān)鍵性能指標(biāo)比國(guó)際上已報(bào)道的大多數(shù)濕度發(fā)電機(jī)提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)(圖2E)。這是濕氣發(fā)電領(lǐng)域的重大突破。更關(guān)鍵的是其卓越穩(wěn)定性：在自然環(huán)境波動(dòng)下(溫度20-28°C，濕度25-70%RH)，器件持續(xù)穩(wěn)定工作超過(guò)1000小時(shí)且無(wú)明顯衰減(圖2B)，克服了傳統(tǒng)MEGs不穩(wěn)定的難題。以上結(jié)果印證了3D-SMEG在功率、持久性和環(huán)境適應(yīng)性方面的顯著優(yōu)勢(shì)。
 

　　圖2. A. 3D-SMEG的I-V曲線；B. 3D-SMEG在連續(xù)1000小時(shí)測(cè)試的Voc和Isc。C-D. 在不同電阻下的電壓，電流和功率密度值；E. 和已報(bào)道MEG進(jìn)行性能對(duì)比；F. 不同裝置在相對(duì)濕度為60%時(shí)的電輸出；G. 采用不同負(fù)極3D-SMEG的電輸出；H. 電輸出性能的貢獻(xiàn)率；I. 3D-SMEG的工作機(jī)理示意圖。

 

　　要點(diǎn)三：三維結(jié)構(gòu)SMEG工作機(jī)理的解析和驗(yàn)證
 

　　圖3探索了影響3D-SMEG發(fā)電性能的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，功率輸出與環(huán)境濕度密切相關(guān)，在40%-80%相對(duì)濕度范圍內(nèi)性能最佳(圖3A)。分子模擬(圖3B)揭示，特定離子液體與材料的相互作用對(duì)發(fā)電效率至關(guān)重要。表面電勢(shì)測(cè)試結(jié)果(圖3C)直觀地證實(shí)了蒸發(fā)層在工作時(shí)帶有更高正電勢(shì)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，電極的設(shè)計(jì)(接觸面積和孔隙率，等)及精細(xì)優(yōu)化，對(duì)器件的功率輸出有顯著影響(圖3D, E)，能夠平衡水分傳輸和電荷收集。電化學(xué)測(cè)試(圖3F)和理論模擬(圖3G, H, I)共同揭示定向水分傳輸驅(qū)動(dòng)離子，并在內(nèi)部形成強(qiáng)大離子濃度梯度和非對(duì)稱電場(chǎng)，極大地促進(jìn)了電荷分離和積累，從而實(shí)現(xiàn)了高性能電輸出。
 

　　圖3. A. 3D-SMEG在不同相對(duì)濕度下的性能；B. 3D-SMEG表面與水分子的電荷密度差及吸附能；C. KPFM的表面電勢(shì)分布；D. 電極調(diào)整與3D-SMEG接觸面積的功率密度變化；E. 調(diào)整吸濕側(cè)電極孔徑的功率密度變化；F. 掃描速率為10-100 mV s-1 時(shí)CV 曲線；G-I. 3D-SMEG中COMSOL多物理場(chǎng)模擬。

 

　　要點(diǎn)四：三維濕氣發(fā)電機(jī)的規(guī)模化高效低損耗集成及應(yīng)用
 

　　為了驗(yàn)證高性能3D-SMEG從單體到實(shí)用化電源的潛力，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種基于絲網(wǎng)印刷術(shù)可規(guī)模化大面積制備的策略(圖4A)，實(shí)現(xiàn)了在輕質(zhì)柔性基體上快速制造及大量3D-SMEG高效集成(圖4B)。通過(guò)串并聯(lián)，器件電壓和電流基本上線性增加(圖4C)。最令人振奮的是，將500個(gè)單元串聯(lián)得到了超過(guò)680 V的超高電壓輸出(圖4D)，且電能的損耗極低，遠(yuǎn)超已報(bào)道的技術(shù)。這種模塊化、可定制的高輸出電源，能夠用于直接驅(qū)動(dòng)多種商用電子設(shè)備(圖4E)。例如，無(wú)需額外整流和儲(chǔ)能即可為手機(jī)充電、長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)亮路燈，甚至為家庭模型供電(圖4F)。以上這些成果有力展示了3D-SMEG從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的巨大潛力。
 

　　圖4. A. 基于3D-SMEG的自供電系統(tǒng)集成示意圖；B. 將3D-SMEG組裝在薄板和PET柔性膜基體上；C. 不同數(shù)量單元串聯(lián)、并聯(lián)后的電壓和電流輸出；D. 單元數(shù)量分別為100、200、300、400和500串聯(lián)集成的穩(wěn)定電壓輸出；E. 集成系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)商用電器；F. 模擬MEG驅(qū)動(dòng)未來(lái)建筑的照片、電路圖和相應(yīng)輸出功率。

 

　　綜上所述，該研究成功制備出一種高性能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的濕度發(fā)電機(jī)。通過(guò)巧妙借鑒耐旱植物，通過(guò)仿生非對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了空氣中濕氣的持續(xù)吸附-解吸循環(huán)和定向離子傳輸，打破了傳統(tǒng)MEGs性能瓶頸。單個(gè)器件即可提供穩(wěn)定高電能輸出，且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了器件大面積集成。不僅為濕氣發(fā)電技術(shù)提供了全新的設(shè)計(jì)思路和制備策略，而且有望在自供電電子設(shè)備、分布式能源、甚至濕度驅(qū)動(dòng)建筑等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化材料和設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升器件的功率密度和長(zhǎng)期服役穩(wěn)定性，將其集成應(yīng)用于更廣泛的環(huán)境能量收集系統(tǒng)中。
 

　　相關(guān)研究成果以題為“Achieving persistent and ultra-high voltage output through arid-adapted plants-inspired high-performance moisture-electric generator”發(fā)表在國(guó)際知名期刊Energy & Environmental Science, 2025, DOI: 10.1039/D5EE01194A。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士研究生陳玉為該論文的第一作者，清華大學(xué)化學(xué)系曲良體教授和南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院唐少春教授為該論文的通訊作者。
 

　　固體微結(jié)構(gòu)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省功能材料設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為該工作的順利開(kāi)展提供了重要支持。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。