水分吸附-解吸全循环发电机：长期驱动商业电子设备

水作为一种可回收资源，不仅对生命至关重要，而且还是地球上最大的能量载体、调节器和平衡器。无所不在的水文循环涉及在蒸发过程中从液态水转变为气态水（海洋的蒸发）以及在凝结过程中的相反转变（云中的降水），这提供了巨大的能量交换（每年接近60 × 10¹⁵ W左右）。这种潜在的能量演变成多种形式，比人类活动的平均电力消耗高出几个数量级，但却很少有被利用。虽然最近已开发出湿气发电技术以满足孤立的离网区域的能源需求，但湿发电机（MEG）往往依赖于单一吸附过程提供电力输出，这反映了其不可持续和非重复发电的瓶颈。一天中高相对湿度（RH）和低相对湿度之间的交替变化以及水文循环是一种常见的自然现象。由于湿发电机的高相对湿度和发电性能之间的严重依赖关系，根据动态环境中的相对湿度变化发电仍然现阶段亟需攻克的巨大挑战。

鉴于此，清华大学化学系、Nano Research Energy（https://www.sciopen.com/journal/2790-8119）创刊主编曲良体教授与清华大学程虎虎研究员和中国科学院力学所刘峰研究员团队共同提出了一种采用三维（3D）多孔可电离组件和周围封装的水分吸附-解吸发电机（MADG）。MADG不仅在高RH下发挥水分吸附发电，而且在低RH下基于离子扩散赋予水分解吸发电，分别由离子浓度差和离子水合能主导。与单一吸附过程的MEG相比，全循环MADG将吸附和解吸发电集成到一个闭环过程中，因此它可以提供可重复的发电性能，并将多功能的基于水分的能量转化为电能。MADG单元可在100%RH（吸水）下产生~0.5V的高电压和~100μA的电流，并在15 ± 5%相对湿度（水解吸）下提供电输出（~0.5V和~50μA）。MADG中的最大输出功率密度接近120mW/m²，实现了内部电阻和最大输出功率密度之间的极好权衡。此外，MADGs可以直接提供足够的电力来长期驱动商业电子设备和电化学过程，并在实际户外根据动态相对湿度进行连续全循环发电。相关工作以“Moisture adsorption-desorption full cycle power generation”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

发电材料的制备与表征发电装置结构示意图、工作原理及装置照片如图1所示。MADG由金电极、作为发电材料的3D可电离多孔组件和封装层组成，其中上层金电极有孔以允许进入/去除水分。发电薄膜由海藻酸钠（SA）、二氧化硅纳米纤维（SiO₂）和还原氧化石墨烯（rGO）组成，称为SAG薄膜。SA起到解离可移动的Na⁺离子的作用。SiO₂纳米纤维有利于构建分级孔隙结构，促进水分子和离子传输以及在水中的机械稳定性。rGO用于组装3D导电骨架和调节电阻。SAG薄膜能够在~100%RH和40℃的测试条件下提供高达210%的吸水能力（图2）。SAG膜的Na元素完全以可移动的Na⁺离子的形式存在，吸水率为167%，表明SAG薄膜具有高效的解离能力。受益于相互连接的3D骨架结构和丰富的移动离子，SAG薄膜与纳米结构一起发挥出色的离子传输能力，并提供0.11S·m^–1的离子电导率。

图1 MADG的设计。

图2 SAG薄膜的结构和性能。

MADG的发电特性及性能优化MADG发电原理是水合离子扩散，吸湿发电时受离子浓度差驱动，解吸发电时受离子水合能量支配（图3）。在高相对湿度吸附发电过程中，设备中的水分从上到下逐渐增加，导致不对称的水分吸附和Na⁺离子解离，形成离子浓度差并导致电力输出。随着器件的吸附饱和，离子将趋于均匀分布在最终状态。随后，饱和的MADG可以进行水分解吸发电。通过从大气中定向吸附水分子，MADG可以在100%RH下产生高达0.5V的开路电压和接近100μA的短路电流。水合的MADG在低RH（15 ± 5%RH）下自发地解吸水分子，产生约0.5V的开路电压和约50μA的短路电流。与基于单一吸附过程的水分发生器相比，MADG不再受吸附平衡和高度依赖高RH等瓶颈的限制。具有77%高孔隙率的互连SAG薄膜具有惊人的吸水能力、水分子扩散系数、zeta电位和离子电导率（图4），反映了其优异的水分子传输、离子解离和扩散。

图3 MADG装置的发电。

图4 影响MADG发电性能的因素。

发电机制和MADG的应用作者提出以离子水合能为主的离子扩散解吸发电，主要依赖于两点：（1）水合Na⁺离子数保持不变，仅周围水分子数随着含水量的减少而减少。(2)水合Na⁺离子与较多水分子结合的离子水合能低于水合Na⁺离子与较少水分子结合的离子水合能（图5）。在自发吸附过程中，化学势能的变化，合理地作为能源，可以转化为电能和吸附热。MADG装置通过在解吸过程中将显热转化为潜热，能够从周围环境中提取热能，从而产生电能和化学势能的变化（图6）。因此，用于MADG发电的能源是绿色和可再生的。此外，作者通过串联21个单元，产生的电压高达约11V，线性增加，平均每单元0.53V。16个并联单元的电流输出提升至约1.3mA，证明了MADG的缩放性能。MADG提供的电力能够使用集成的6 × 3阵列为0.47、47或470mF的商用电容器充电至3V。MADG装置连接到可旋转板上，可以智能地自我转换发电方式并提供~0.5-0.6V的连续电压输出，阐明了其在动态湿度环境下的适用性（图7）。

图5 通过核磁共振实验和理论计算验证工作机理。

图6 工作机理论证与能源探讨。

图7 MADG的应用。

小结：作者一种基于多孔可电离组件的水分吸附-解吸发电机（MADG），它在高相对湿度下自发吸附水分，在低相对湿度下解吸水分，从而产生循环电输出。MADG装置在100%相对湿度（RH）下可产生约0.5V的高电压和100μA的电流，在15 ± 5%RH下提供电输出（约0.5 V和~50μA），并提供最大输出功率密度接近120mW/m²。这种MADG设备可以传导足够的功率来照亮户外应用中的路灯并直接驱动电化学过程。这项工作为多功能的基于水分的能量转换提供了一条闭环途径。

文章信息：Wang, H. Y.; He, T. C.; Hao, X. Z.; Huang, Y. X.; Yao, H. Z.; Liu, F.; Cheng, H. H.; Qu, L. T. Moisture adsorption-desorption full cycle power generation. 2022, 13: 2524.https://doi.org/10.1038/s41467-022-30156-3.

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30156-3

作为Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; Official Website:https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月由清华大学创办，曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。2023年之前免收APC费用，投稿请联系NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn。

本文来源：高分子科学前沿