【儀表網 研發快訊】能源危機與環境問題日益嚴峻，開發清潔、可持續的能源迫在眉睫。雖然太陽能和風能等技術發展迅速，但其受地理和天氣限制的瓶頸依然存在。濕氣發電機(MEGs)利用空氣中普遍存在的濕氣發電，是一種極具潛力的新型分布式能源。然而，濕氣發電技術面臨諸多挑戰，如何開發即使在環境濕度波動下也能維持穩定內部水梯度并實現持續穩定輸出的MEGs，是當前面臨的一項巨大挑戰。
大自然生物為我們解決這一挑戰性難題提供了材料設計的靈感。旱生植物如Agave, Yucca brevifolia, Nitraria sibirica Pall等，它們葉片上擁有精妙的疏水微孔結構，能夠精準調節水分蒸發，在嚴酷環境中維持體內穩定的水分平衡(圖 1A)。針對以上難題，南京大學唐少春教授團隊從耐旱植物獨特的水分調節過程獲得靈感，成功研制出一種高性能新型三維結構濕氣發電機(3D-SMEG)。該濕氣發電體積僅有0.1 cm3，卻能產生1.4 V和0.1 mA的輸出，在自然濕氣環境下能夠持續穩定運行超過1000小時。特別是，基于可工業化大面積制備的絲網印刷技術，團隊將500個3D-SMEG進行集成，以極低損耗(2.8%)獲得超過680 V的超高電壓輸出。空氣中的濕氣能夠源源不斷地獲取，該項工作克服了常規濕氣發電機受制于環境濕度變化波動、電能輸出間歇性、功率低等缺陷，為新型電源的開發及其在偏遠離網地區的便攜式應用開辟了一條全新的路徑。
要點一：濕氣發電機結構仿生原理及三維SMEG的微納結構特征
基于結構仿生的理念，團隊模擬旱生植物對水分調控的結構，開發出具有連續吸附-解吸水分能力的三維濕氣發電機(3D-SMEG)，圖1B所示。關鍵在于通過非對稱結構實現對水分蒸發速率的精確調控和單向濕離子傳輸(圖1C)。利用帶負電荷的官能團誘導選擇性分離出正電荷及其梯度分布，并基于雙電層效應在優化的空間電場中實現高效電荷分離，產生持續電能輸出。團隊還開發出一種基于絲網印刷技術的可定制大面積制備策略(圖1D)，將濕氣發電單元進行有效集成，證實了規模化應用可行性。特別是，3D-SMEG 對不同濕度的適應性使其適用于全球多種區域環境，即使在半干旱和干旱地區也能實現高效工作(圖1E)。
圖1. A. 自適應干旱環境的植物Nitraria sibirica Pall.水分蒸騰過程；B. 3D-SMEG的結構示意圖；C. 3D-SMEG工作機理示意圖；D. 絲網印刷技術制備可規模化放大的3D-SMEG集成示意圖；E. 3D-SMEG在6個代表城市服役的功率密度。
要點二：研制的三維結構SMEG具有出色的濕氣發電性能
圖2展示了3D-SMEG出色發電性能。單個體積僅0.1 cm3的器件在標準環境下(25°C, 60% RH)，開路電壓高達1.4 V，短路電流達到0.1 mA，最大功率密度高達35 μW/cm2(圖2A, D)。這一關鍵性能指標比國際上已報道的大多數濕度發電機提升了一個數量級(圖2E)。這是濕氣發電領域的重大突破。更關鍵的是其卓越穩定性：在自然環境波動下(溫度20-28°C，濕度25-70%RH)，器件持續穩定工作超過1000小時且無明顯衰減(圖2B)，克服了傳統MEGs不穩定的難題。以上結果印證了3D-SMEG在功率、持久性和環境適應性方面的顯著優勢。
圖2. A. 3D-SMEG的I-V曲線；B. 3D-SMEG在連續1000小時測試的Voc和Isc。C-D. 在不同電阻下的電壓，電流和功率密度值；E. 和已報道MEG進行性能對比；F. 不同裝置在相對濕度為60%時的電輸出；G. 采用不同負極3D-SMEG的電輸出；H. 電輸出性能的貢獻率；I. 3D-SMEG的工作機理示意圖。
要點三：三維結構SMEG工作機理的解析和驗證
圖3探索了影響3D-SMEG發電性能的關鍵因素。研究發現，功率輸出與環境濕度密切相關，在40%-80%相對濕度范圍內性能最佳(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發電效率至關重要。表面電勢測試結果(圖3C)直觀地證實了蒸發層在工作時帶有更高正電勢。進一步研究發現，電極的設計(接觸面積和孔隙率，等)及精細優化，對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。電化學測試(圖3F)和理論模擬(圖3G, H, I)共同揭示定向水分傳輸驅動離子，并在內部形成強大離子濃度梯度和非對稱電場，極大地促進了電荷分離和積累，從而實現了高性能電輸出。
圖3. A. 3D-SMEG在不同相對濕度下的性能；B. 3D-SMEG表面與水分子的電荷密度差及吸附能；C. KPFM的表面電勢分布；D. 電極調整與3D-SMEG接觸面積的功率密度變化；E. 調整吸濕側電極孔徑的功率密度變化；F. 掃描速率為10-100 mV s-1 時CV 曲線；G-I. 3D-SMEG中COMSOL多物理場模擬。
要點四：三維濕氣發電機的規模化高效低損耗集成及應用
為了驗證高性能3D-SMEG從單體到實用化電源的潛力，團隊開發出一種基于絲網印刷術可規模化大面積制備的策略(圖4A)，實現了在輕質柔性基體上快速制造及大量3D-SMEG高效集成(圖4B)。通過串并聯，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個單元串聯得到了超過680 V的超高電壓輸出(圖4D)，且電能的損耗極低，遠超已報道的技術。這種模塊化、可定制的高輸出電源，能夠用于直接驅動多種商用電子設備(圖4E)。例如，無需額外整流和儲能即可為手機充電、長時間點亮路燈，甚至為家庭模型供電(圖4F)。以上這些成果有力展示了3D-SMEG從實驗室走向實際應用的巨大潛力。
圖4. A. 基于3D-SMEG的自供電系統集成示意圖；B. 將3D-SMEG組裝在薄板和PET柔性膜基體上；C. 不同數量單元串聯、并聯后的電壓和電流輸出；D. 單元數量分別為100、200、300、400和500串聯集成的穩定電壓輸出；E. 集成系統驅動商用電器；F. 模擬MEG驅動未來建筑的照片、電路圖和相應輸出功率。
綜上所述，該研究成功制備出一種高性能持續穩定運行的濕度發電機。通過巧妙借鑒耐旱植物，通過仿生非對稱結構實現了空氣中濕氣的持續吸附-解吸循環和定向離子傳輸，打破了傳統MEGs性能瓶頸。單個器件即可提供穩定高電能輸出，且進一步實現了器件大面積集成。不僅為濕氣發電技術提供了全新的設計思路和制備策略，而且有望在自供電電子設備、分布式能源、甚至濕度驅動建筑等領域發揮重要作用。未來，研究團隊將繼續優化材料和設計，進一步提升器件的功率密度和長期服役穩定性，將其集成應用于更廣泛的環境能量收集系統中。
相關研究成果以題為“Achieving persistent and ultra-high voltage output through arid-adapted plants-inspired high-performance moisture-electric generator”發表在國際知名期刊Energy & Environmental Science, 2025, DOI: 10.1039/D5EE01194A。南京大學現代工程與應用科學學院博士研究生陳玉為該論文的第一作者，清華大學化學系曲良體教授和南京大學現代工程與應用科學學院唐少春教授為該論文的通訊作者。
固體微結構物理全國重點實驗室、南京大學人工微結構科學與技術協同創新中心、江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室為該工作的順利開展提供了重要支持。該項研究得到了國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金項目的資助。
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