《AFM》东华大学覃小红、王黎明：自梯度水凝胶湿度发电机，实现全天候稳定供电

随着清洁能源需求增长，水能收集技术成为开发可再生能源的重要方向。然而，传统水力发电依赖地理条件和水流运动，而新兴的湿气诱导发电机（MEGs）虽可利用环境湿气发电，却面临严峻挑战：现有系统需依赖机械水流、液态水补充或高湿度环境，在温湿度波动的自然环境和可穿戴设备中性能急剧下降。此外，复杂材料设计和狭窄的温湿度适用性（如低温或干燥环境）严重限制了其实际应用潜力。

近期，东华大学覃小红教授、王黎明特聘研究员和韩国科学技术院Il-Doo Kim教授合作开发出一种基于电双层梯度的自梯度水凝胶湿度发电机（SHMEG）。该器件通过离子丙烯酰胺水凝胶在载碳针织织物（CF）上的自发扩散形成梯度结构，在室温（25°C）和75%湿度下实现0.75 V持续140小时的电压输出和15 μA电流输出。其核心优势在于卓越的环境适应性：在20%低湿度下保持0.5 V电压，在-10°C低温下输出0.7 V，工作范围覆盖-10°C至40°C和10%-90%相对湿度。同时具备300%拉伸性，可直接驱动电子设备并作为应变传感器使用。相关论文以“Climate-Adaptive High-Performance Moisture-Induced Electric Generator Utilizing Electric Double-Layer Gradient”为题，发表在《Advanced Functional Materials》上。

器件设计与核心性能

SHMEG由载碳黑针织织物（CF）、银电极和自梯度水凝胶构成（图1a）。水凝胶以聚丙烯酰胺（PAM）为骨架，甘油-水二元溶剂提供抗冻抗干特性，氯化钠（NaCl）提升离子浓度，使电导率比无盐凝胶提高30倍（24.21 mS m⁻¹）。扫描电镜显示碳黑均匀分布于织物并与水凝胶复合（图1b），XPS谱证实凝胶交联网络形成（图1c）。关键创新在于自发形成的离子梯度：EDS线扫描显示钠（Na）和氯（Cl）元素沿器件方向呈梯度分布（图1e），这种结构赋予其超强保水性——在20%-35%湿度下暴露10天，质量损失仅20%（图1f）。结合针织物的弹性与凝胶的低结晶特性，SHMEG实现300%拉伸率（图1g），并在不同湿度下稳定输出0.75 V（70%湿度）和0.5 V（20%湿度）电压（图1h），性能显著优于同类器件（图1i）。

性能优化与环境适应性

通过组分优化最大化输出：无NaCl时电压仅0.14 V（离子不足），无甘油时降至0.32 V（梯度形成困难）。当NaCl浓度达1.5 M时，电压升至0.72 V（图2b），过量盐分则因过度溶解网络而降低性能。水凝胶体积增至400 μL时，吸水性提升使电压达0.74 V（图2c）。温湿度测试表明，-10°C至70°C范围内电压维持在0.7-0.87 V（图2d），10%极低湿度下仍输出0.5 V（图2e）。单个器件（3×1×0.009 cm³）在20 kΩ负载下实现最高体积功率密度3.7 μW cm⁻³（图2f,g）。尽管多次充放电后因钠离子扩散导致性能轻微衰减（图2h），但100小时后电流仍保持0.9 μA，证实长期运行潜力。

发电机制解析

SHMEG的核心驱动力源于水凝胶-碳界面的电双层梯度与银电极特性。核磁共振（NMR）显示Na⁺离子浓度沿器件梯度递减（图3a），FTIR证实水分梯度分布（图3b），导致不同位置输出差异（图3c）。对比实验验证梯度必要性：无梯度器件电压趋近于零，弱梯度器件仅0.25 V，而优化梯度器件达0.7 V。施加偏压时，沿梯度方向电流（19 μA）为反向电流（9.5 μA）的两倍（图3d），证实界面存在内建电场。机制上（图3e-g），预凝胶在CF上扩散后加热固化，形成离子/水分梯度；碳黑表面负电荷吸引Na⁺离子沿梯度扩散，排斥Cl⁻离子产生净电流，其流速符合泊松-玻尔兹曼分布（公式1-3）。银电极贡献约0.45 V电压（含腐蚀电位0.3 V），碳吸附过程贡献0.15 V，总和与开路电压一致。

图3. SHMEG 的发电机制。

应用验证

SHMEG在模拟沙漠环境中，即使湿度从40%降至25%，电压仍稳定在0.5 V以上（图4b）；-10°C和40°C下持续发电（图4c），70°C/30%湿度极端条件仍输出6 μA电流。六组器件串联成功驱动电子表（图4d），在模拟极寒（-10°C输出0.73 V）和沙漠环境（0.82 V）中稳定运行（图4e,f）。其300%拉伸性支持可穿戴应用：集成无线传感系统后，通过电流变化实时监测手指弯曲（图4g-i），为自供电可穿戴设备开辟新路径。

图4. SHMEG 在不同环境中的应用与概念验证。

结语与展望

该研究通过自梯度水凝胶结构破解了湿度发电的环境适应性难题，首次实现在-10°C至40°C、10%-90%湿度范围内的稳定供电。未来通过优化离子封装和电极设计，有望进一步提升器件寿命。此项突破不仅推动水基能源收集技术发展，更为极端环境供电、可穿戴电子及物联网传感提供了全新解决方案。

来源：高分子科学前沿