上海交大朱利民&沈道智&苏言杰等综述：可吸收环境水分子能量的吸湿性新材料

图1. 基于离子扩散机制的湿电产生。

离子扩散机制也被称为浓度梯度或梯度扩散机制，主要在吸湿材料上产生离子浓度梯度，导致电荷分离，从而产生电输出。许多吸湿性固体含有表面官能团，包括-OH，-COOH和-SO₃H，它们在吸收水分子时解离并释放出可移动的离子(如质子)。当物质化学成分或水分分布存在不对称性时，可以建立这些离子的浓度梯度。移动的离子会从浓度较高的(例如,较高的湿度或质子较丰富的区域)扩散到浓度较低的区域。

图2. 基于流动电势机制的湿电产生。

流动电势机制涉及基于电动力学效应将水蒸发诱导的流体运动转化为电能。当极性液体如水流过具有固定表面电荷的窄通道或多孔材料时，流体可以将反离子从双电层中拖拽出来，并产生电流。这是电动力学中经典的流动电流现象。在壁面带电的固体通道中，由于表面电荷吸引流体中的一层相反电荷的离子，在水-固界面可以形成EDL，形成离子扩散层延伸到通道中，也称为德拜层(Debye layer)。如果通道直径与德拜长度的两倍相当或更小，则来自对侧壁的EDL重叠，整个通道横截面有一个带净电荷的区域。如图2所示，当水被驱动通过这种纳米级或微米级通道时，借助压差或由于一端蒸发而产生的毛细作用，它携带着离子一起流动。因此，这些离子的运动导致了沿流动方向的对流电流，并在通道末端积累了同样相反的电荷，从而导致了通道入口和出口之间可测量的电压差。这个电压被称为流动电位，相应的电流为流动电流。

II 材料创新

近年来，由于MEG材料的重大革新，从环境湿度中获取电能得到了迅速发展。早期的MEG依靠简单的吸湿性薄膜如氧化石墨烯，只能产生毫伏级的间歇性低品位输出。从那时起，材料科学的进步通过新材料和结构设计极大地改善了的性能。研究人员已经证明了使用保持持续湿度梯度的各种材料进行连续的、自维持的发电，从具有丰富离子官能团的合成聚合物和水凝胶到生物衍生物质，如蛋白质纳米纤维。单台器件的开路电压也相应地从几十毫伏提高到1 ~ 2 V数量级。当多个MEG单元串联集成时，总电压甚至可以达到数百伏特。然而，由于较低的电流密度输出，实现实际功率水平仍然具有挑战性。

图3. 高分子材料和水凝胶。

一个关键的设计在于最大限度地吸收水分，同时保持整个设备的水分梯度。一方面，更强的吸湿性产生更多的离子和更高的化学势能，相应地产生更高的电输出。另一方面，过量的水可以使体系达到平衡，使驱动离子扩散的梯度迅速坍塌。因此，材料创新的重点是平衡吸湿性和不对称性：通过表面化学和孔隙率增强水捕获，同时通过梯度结构或异质成分保持内部梯度。最先进的MEGs通常会组合策略以确保持续的产出。例如，设计了亲水性和弱亲水性层的复合薄膜，以促进水的定向传输。此外，最近的研究还强调了构建MEG装置的生物材料，以满足可持续和绿色生活的要求。在这一部分中，讨论了实现这些进展的主要材料类别，包括碳基材料、聚合物(水凝胶)材料、生物启发材料、氧化物和复合材料。

图4. 复合材料。

III 湿气发电装置的结构平面薄膜器件湿气发电机通常由薄膜或薄膜组成，利用平面或垂直方向上表面两个区域之间的湿度梯度来产生电能。平面薄膜也是MEG中应用最广泛的结构。在早期的例子中，具有不对称分布的含氧官能团的单层氧化石墨烯薄膜显示在环境湿度下产生约0.035 V。当暴露于水分时，更亲水的区域释放出更高浓度的质子，驱动离子向更干燥的一侧扩散并产生电压输出。随后的研究通过优化材料表面和薄膜厚度，在电流密度为2 ~ 25μA cm⁻²时，将平面薄膜的输出显著提高到0.4 。类似地，从地杆菌属微生物中收获的7 μm厚的蛋白质纳米线薄膜被证明可以通过吸附大气湿度在环境空气中持续产生0.5 V的电压，这被称为” Air-gen “器件，即使在极低相对湿度的环境中也能显著工作。

图5. 平面薄膜器件。

IV 湿气发电器件的应用

近年来，MEG已经从实验室的好奇迅速发展成为各种应用的有前途的电源。通过从人类或自然环境中收集到无处不在的环境湿度或水分，MEG装置提供了一种绿色和广泛可用的能源供应，可以补充传统的可再生能源。MEG设备的应用主要有两种方式：传感器和电源。由于MEG输出对湿度和温度等外界环境条件敏感，该装置可以直接作为传感器，以自供电的方式检测这些环境物理参数。此外，由于水分无处不在，MEG可以产生电能为其他电子设备供电。

图6. 多层和堆叠构型。

为了提高输出电压和功率，对MEG电池的多层结构和堆叠进行了深入的研究。一种策略是在单个器件中构建包含多个功能层的复合分层发生器。一个典型的例子是双层聚电解质薄膜器件，它模拟了一个跨膜离子梯度。这种双层杂化膜由聚阳离子PDDA膜和PSSA/PVA膜组成，在潮湿空气中分别释放Cl⁻离子和H⁺离子。因此，带相反电荷的离子在薄膜中扩散，这与单一薄膜相比大大提高了电输出。因此，这种异质双层单元在环境条件下可以产生~ 0.95 V的电压。将这些内部不对称单元串联堆叠，总电压会有近线性的增加。

沈道智

本文第一作者、通讯作者

上海交通大学 副教授

▍主要研究领域

(1)能量收集：湿气发电、水伏技术等；(2)微纳器件：光学、湿气、压力等；(3)原子级制造：原子尺度材料、界面调控等。

▍主要研究成果

上海交通大学机械与动力工程学院副教授，博士生导师，获国家级青年人才、上海市领军人才、上海浦江人才。2013年获得华中科技大学材料科学与工程学院学士学位，2019年获清华大学机械工程博士学位，2019-2022在加拿大滑铁卢大学从事博士后研究，2022年加入上海交通大学机械与动力工程学院。主要研究方向包括：微纳/原子制造和智能感知器件。至今已于Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Sci.等期刊发表论文40余篇。受邀在国内外重要学术会议作主旨/邀请报告20多次。担任Exploration、Nano Research Energy等期刊青年编委。主持国家自然科学基金委、上海市科委项目，以及中船、华为、小米等战略项目。获教育部自然科学二等奖、北京市自然科学二等奖。

▍Email：dzshen@sjtu.edu.cn

苏言杰

本文通讯作者

上海交通大学 研究员

▍主要研究领域

(1)单壁碳纳米管材料可控制备；(2)碳基范德华异质结及纳米器件；(3)碳基纳米传感器与微系统；(4)新型碳基纳米器件。 

▍主要研究成果

上海交通大学集成电路学院研究员/博士生导师、上海优秀博士论文获得者、Nano-Micro Letters期刊编委，校SMC-晨星优秀青年学者。主要研究方向为单壁碳纳米管材料与碳基纳米器件。已发表SCI 论文180余篇，他引12000余次，H Index为64。在Springer出版碳纳米管材料与器件英文学术著作1 部。申请并获得授权发明专利30余项。主持包括国家自然科学基金面上项目，青年基金等十余项。研究成果曾获得2021年中国电子学会自然科学奖和2018年教育部自然科学奖。

▍Email：yanjiesu@sjtu.edu.cn

朱利民

本文通讯作者

上海交通大学 特聘教授

▍主要研究领域

(1)超精密制造与检测；(2)生产计量与质量控制。 

▍主要研究成果

上海交通大学机械与动力工程学院特聘教授，博士生导师，国家高层次人才、美国机械工程师学会会士、英国工程技术学会会士、国际纳米制造学会会士。主要从事精密超精密加工与检测方向的研究。主持1项国家重点研发计划项目和4项国家自然科学基金重点项目，以第一完成人获教育部自然科学一等奖1项，作为主要完成人获国家自然科学二等奖和国家科技进步二等奖各1项。出版专著1部，发表SCI论文400余篇。担任中国机械工程学会极端制造分会副主任委员、中国机械工程学会生产工程分会精密工程与微纳技术专业领域副主任委员和《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》等11份期刊编委。

▍Email：zhulm@sjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部