💡这项突破是什么?
湿气发电机（MEGs）是一种利用环境湿气驱动离子定向迁移产生电能的新型能源技术，有望为物联网、可穿戴设备等提供可持续的分布式能源。然而，传统MEGs存在输出电压低、稳定性差、环境适应性弱等瓶颈，严重制约了其实际应用。
近日，南京大学现代工程与应用科学学院唐少春教授团队与清华大学化学系曲良体教授团队合作，受耐旱植物高效水分捕获和利用机制的启发，提出了一种新型三维仿生结构湿气发电机（3D-SMEG）。该器件通过巧妙的结构设计实现了湿气的持续吸附-解吸循环和离子定向传输，在宽湿度范围内（25-70% RH）实现了超高电压输出（680 V）和超长稳定运行（>1000小时），为湿气发电技术的实用化提供了全新思路。
要点一：三维仿生结构湿气发电机的设计与制备
团队借鉴耐旱植物（如仙人掌）高效捕获和利用空气中微量水分的策略，设计了一种三维仿生结构湿气发电机（3D-SMEG）。其核心在于构建了非对称的吸湿层（高吸湿性）和蒸发层（高蒸发性），并引入离子液体作为电荷载体（图1）。这种结构能够自发形成持续的湿气吸附-解吸循环，驱动离子定向迁移，从而持续发电。制备过程采用丝网印刷技术，实现了器件的大面积、低成本制造。
图1. A. 仙人掌高效水分捕获示意图；B. 3D-SMEG结构示意图；C. 3D-SMEG的制备流程示意图；D. 3D-SMEG实物照片。
要点二：三维湿气发电机实现超高电压输出和超长稳定运行
单个3D-SMEG器件在60%相对湿度下，开路电压高达1.36 V，短路电流达1.2 mA，最大功率密度达1.68 mW cm-2（图2A, C, D）。这一关键性能指标比国际上已报道的大多数湿度发电机提升了一个数量级（图2E）。这是湿气发电领域的重大突破。更关键的是其卓越稳定性：在自然环境波动下（温度20-28°C，湿度25-70%RH），器件持续稳定工作超过1000小时且无明显衰减（图2B），克服了传统MEGs不稳定的难题。以上结果印证了3D-SMEG在功率、持久性和环境适应性方面的显著优势。
图2. A. 3D-SMEG的I-V曲线；B. 3D-SMEG在连续1000小时测试的Voc和Isc。C-D. 在不同电阻下的电压，电流和功率密度值；E. 和已报道MEG进行性能对比；F. 不同装置在相对湿度为60%时的电输出；G. 采用不同负极3D-SMEG的电输出；H. 电输出性能的贡献率；I. 3D-SMEG的工作机理示意图。
要点三：三维结构SMEG工作机理的解析和验证
图3探索了影响3D-SMEG发电性能的关键因素。研究发现，功率输出与环境湿度密切相关，在40%-80%相对湿度范围内性能最佳（图3A）。分子模拟（图3B）揭示，特定离子液体与材料的相互作用对发电效率至关重要。表面电势测试结果（图3C）直观地证实了蒸发层在工作时带有更高正电势。进一步研究发现，电极的设计（接触面积和孔隙率，等）及精细优化，对器件的功率输出有显著影响（图3D, E），能够平衡水分传输和电荷收集。电化学测试（图3F）和理论模拟（图3G, H, I）共同揭示定向水分传输驱动离子，并在内部形成强大离子浓度梯度和非对称电场，极大地促进了电荷分离和积累，从而实现了高性能电输出。
图3. A. 3D-SMEG在不同相对湿度下的性能；B. 3D-SMEG表面与水分子的电荷密度差及吸附能；C. KPFM的表面电势分布；D. 电极调整与3D-SMEG接触面积的功率密度变化；E. 调整吸湿侧电极孔径的功率密度变化；F. 扫描速率为10-100 mV s-1 时CV 曲线；G-I. 3D-SMEG中COMSOL多物理场模拟。
要点四：三维湿气发电机的规模化高效低损耗集成及应用
为了验证高性能3D-SMEG从单体到实用化电源的潜力，团队开发出一种基于丝网印刷术可规模化大面积制备的策略（图4A），实现了在轻质柔性基体上快速制造及大量3D-SMEG高效集成（图4B）。通过串并联，器件电压和电流基本上线性增加（图4C）。最令人振奋的是，将500个单元串联得到了超过680 V的超高电压输出（图4D），且电能的损耗极低，远超已报道的技术。这种模块化、可定制的高输出电源，能够用于直接驱动多种商用电子设备（图4E）。例如，无需额外整流和储能即可为手机充电、长时间点亮路灯，甚至为家庭模型供电（图4F）。以上这些成果有力展示了3D-SMEG从实验室走向实际应用的巨大潜力。
图4. A. 基于3D-SMEG的自供电系统集成示意图；B. 将3D-SMEG组装在薄板和PET柔性膜基体上；C. 不同数量单元串联、并联后的电压和电流输出；D. 单元数量分别为100、200、300、400和500串联集成的稳定电压输出；E. 集成系统驱动商用电器；F. 模拟MEG驱动未来建筑的照片、电路图和相应输出功率。
综上所述，该研究成功制备出一种高性能持续稳定运行的湿度发电机。通过巧妙借鉴耐旱植物，通过仿生非对称结构实现了空气中湿气的持续吸附-解吸循环和定向离子传输，打破了传统MEGs性能瓶颈。单个器件即可提供稳定高电能输出，且进一步实现了器件大面积集成。不仅为湿气发电技术提供了全新的设计思路和制备策略，而且有望在自供电电子设备、分布式能源、甚至湿度驱动建筑等领域发挥重要作用。未来，研究团队将继续优化材料和设计，进一步提升器件的功率密度和长期服役稳定性，将其集成应用于更广泛的环境能量收集系统中。
相关研究成果以题为“Achieving persistent and ultra-high voltage output through arid-adapted plants-inspired high-performance moisture-electric generator”发表在国际知名期刊Energy & Environmental Science, 2025, DOI: 10.1039/D5EE01194A。南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生陈玉为该论文的第一作者，清华大学化学系曲良体教授和南京大学现代工程与应用科学学院唐少春教授为该论文的通讯作者。
固体微结构物理全国重点实验室、南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室为该工作的顺利开展提供了重要支持。该项研究得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。
文章链接: https://doi.org/10.1039/D5EE01194A
