浙江大学林星宇研究员AM：新型吸湿-蒸发发电机实现环境与食物储存中的多形式能量收集

随着化石燃料的过度消耗导致全球变暖与生态退化日益严峻，开发可持续的分散式能源解决方案成为当务之急。尽管摩擦电、压电、渗透能等纳米发电机被广泛探索，但其对特定地理条件或主动环境触发的依赖限制了其适用性与长期可靠性。在此背景下，湿气发电技术因其能够直接将环境中无处不在的大气水分转化为电能而备受关注。然而，现有系统大多仅依赖环境湿度，输出功率低、稳定性差，尤其在日夜湿度波动下表现不佳，制约了其实际应用。

受植物蒸腾作用高效循环水分的自然机制启发，浙江大学林星宇研究员团队开发出一种吸湿-蒸发发电机，能够持续将环境湿气转化为电能。该装置由富含可移动锂离子的锂-纤维素吸湿层和高表面积蒸发层组成，通过一侧自发吸水、另一侧定向蒸发，驱动锂离子定向流动产生电流。单机峰值电压超过1.0伏，峰值电流达0.8毫安，最大功率密度为1.506毫瓦/立方厘米。此外，HEG还能捕捉太阳能与风能，提升输出功率，并在日夜湿度大幅波动下保持稳定运行。更值得一提的是，该设备可从水果呼吸中捕获生物湿气，产生1.2–1.4伏电压，并显著延长水果保鲜期，展现出其在实际应用中的耐用性与实用性。相关论文以“Hygroscopic-Evaporative Generator for Multiform Energy Harvesting from Environment and Food Storage”为题，发表在

Advanced Materials

图1展示了HEG的仿生概念与工作机制。该设计灵感来源于高等植物在阳光、热量和风力驱动下的蒸腾输水系统，其双层结构包括吸湿层与蒸发层。锂-纤维素材料在低温下与LiOH和尿素自组装形成多孔结构，其中Li⁺可自由迁移，而OH⁻则通过与纤维素骨架的氢键固定，形成带负电的纳米通道，从而实现离子的定向传输。

图1：HEG装置的仿生概念与实际演示。 A、B）仿生HEG示意图，能够持续收集多源环境能量（湿度梯度、热量、风力、光照和水果呼吸），模仿植物中蒸腾驱动的水流，并展示了增强的户外性能。 C）锂-纤维素形成的分子机制。在-20°C下，纤维素与LiOH和尿素形成类包合物的自组装结构。游离的Li⁺离子保留在基质中，可随水流迁移产生电流，而OH⁻通过与纤维素骨架的配位被固定。

图2对HEG关键材料进行了系统表征。XRD与XPS分析表明，锂-纤维素中纤维素原有晶体结构被完全破坏，Li⁺以自由离子形式存在；FTIR光谱中O–H键的红移与拓宽证实了LiOH与纤维素间强氢键的形成。此外，锂-纤维素具有最大的比表面积与孔径，有利于水分渗透与离子传输。蒸发层经氧等离子体处理后呈超亲水性，其纤维结构大幅提升了蒸发效率。

图2：HEG发电材料的表征。 A–H）吸湿层中锂-纤维素的表征。三种纤维素样品的XRD图谱（A）、宽扫描XPS光谱（B）、O 1s XPS光谱（D）、FTIR光谱（E）、N₂吸附-脱附等温线（F）、比表面积和平均孔径（G）。锂-纤维素的Li 1s XPS拟合光谱（C）和SEM图像（H）。 I）蒸发层的SEM图像。

图3揭示了HEG内部水分的传输路径。吸湿层在不同湿度下表现出优异的吸湿能力，而蒸发层几乎不吸湿。当两层组装后，吸湿层捕获的水分迅速向蒸发层迁移并最终蒸发至空气中，形成完整的“吸湿-蒸发”循环。通过对比不同密封条件下的吸湿行为，研究团队验证了水分从吸湿层向蒸发层的定向流动。

图3：吸湿层与蒸发层的吸湿与蒸发行为。 A–C）吸湿层（A）、蒸发层（B）和HEG发生器（C）在不同湿度下的吸湿动力学。 D）HEG发生器单元中水分传输的示意图。设备1：用Parafilm分隔吸湿层与蒸发层。设备2：用Parafilm覆盖蒸发层外部以抑制水分蒸发。设备3：蒸发层与吸湿层直接暴露于环境，无任何密封。蓝色箭头表示水流方向。 E、F）不同设备在80%相对湿度下吸湿层（E）与蒸发层（F）的质量变化。所有测试在室温（25±3°C）下进行。

图4进一步展示了HEG对多种环境能量的协同收集能力。在光照下，蒸发层温度迅速升至60°C以上，加速水分蒸发，显著提升电压输出；风力增强亦能促进蒸发，使输出电流同步响应；温度升高与湿度梯度的建立同样有助于提高性能。这些结果表明，HEG可同时捕获太阳能、风能、热能及湿度差，实现多形式环境能量的高效转换。

图4：HEG通过吸湿-蒸发过程收集多形式环境能量。 A）不同湿度条件下开路电压（Voc）的变化。 B）蒸发层侧湿度固定为5%相对湿度时，HEG设备在吸湿层侧不同湿度下的电压输出。 C）吸湿层侧湿度固定为90%相对湿度时，HEG设备在蒸发层侧不同湿度下的电压输出。 D）蒸发层在200–800 nm波长范围内的吸收光谱。 E）阳光下蒸发层表面温度的变化。 F）光照对HEG设备发电性能的影响。 G）Voc对风力开关的同步响应。 H）不同温度条件下Voc与短路电流（Isc）的变化。 I）不同湿度梯度下的时间-电压曲线：从整体90%相对湿度到吸湿侧90%/蒸发侧5%相对湿度。以上测试均使用一对金电极进行。

图5通过多种光谱与表面分析手段验证了HEG的发电机制。时间分辨FTIR与拉曼映射证实了水分从吸湿层向蒸发层的定向输运，并建立了稳定的水梯度驱动离子迁移。Zeta电位测量显示吸湿层孔隙带强负电，具有阳离子选择性。KPFM图像进一步表明，蒸发层表面电位随时间逐渐升高，确认其作为正极的角色，而Li⁺含量在蒸发层中随运行时间持续上升，直接证明了锂离子迁移与电压输出的正相关性。

图5：吸湿-蒸发发电机制的验证。 A、B）在3900–2900 cm⁻¹范围内的二维FTIR相关光谱：同步（A）与异步（B）图谱。红色与蓝色区域分别表示正与负相关峰。 C）蒸发层的深度相关拉曼光谱。 D）吸湿层在不同pH下的Zeta电位。 E）HEG发电机制的示意图。 F）蒸发层中Li⁺含量随时间的演变。 G）通过KPFM在0、30与60分钟时测量的蒸发层外侧表面电位变化。 H）在50%相对湿度与25°C下平衡HEG设备后，蒸发层（上）与吸湿层（下）的KPFM图像。 I）添加不同吸湿盐与MOF材料时HEG的输出性能。以上测试均使用一对金电极进行。

图6系统优化了HEG的电输出性能。通过调节LiCl与PVA的浓度、分子量及电极材料，研究团队确定了最佳制备参数。在优化条件下，单机可在室内环境中稳定输出超过1.0伏电压，峰值功率密度达1.506毫瓦/立方厘米，并能在一个月内维持稳定性能。与近年报道的水驱动发电机相比，HEG在输出稳定性与功率密度方面均表现出明显优势。

图6：HEG的电气输出性能。 A、B）HEG发生器Voc随吸湿层中LiCl（A）与PVA（B）含量的变化。 C）不同电极材料的输出性能比较。 D）在25±3°C与75%相对湿度下的长期Voc实验室测试。 E）HEG单元在不同外部负载电阻下测量的体积功率密度。 F）在环境条件下Voc的演变及连接10 Ω负载电阻时的电流变化，展示多周期内可重复的电压恢复。 G）HEG与2022–2025年报道的其他水诱导发电机的持续电气输出比较。 H）本研究HEG与已报道纤维素基MEG系统的电气输出性能对比。

图7展示了HEG的规模化集成与实际应用潜力。通过串联与并联组合，多个HEG单元可实现电压与电流的线性放大，成功为LED灯、计算器、定时器等小型电子设备供电。在水果包装应用中，HEG通过吸收果实呼吸释放的湿气，不仅产生1.2–1.4伏电压，还有效降低包装内湿度，延缓草莓、芒果、葡萄等水果的腐败过程，显著延长其保鲜期。

图7：HEG的规模化集成以提升功率输出及其在水果保鲜中的应用。 A）不同数量HEG单元串联的电压输出。 B）不同数量HEG单元并联的电流输出。 C）HEG单元串联为电容器充电的电压-时间曲线。 D、E）HEG单元串联点亮LED灯（D）与驱动计算器（E）的光学照片。 F）由2×4 HEG串并联阵列供电的定时器与湿度计的光学照片。 G）HEG通过收集草莓、芒果、绿葡萄与冬枣呼吸释放的生物水分发电。 H）HEG从水果呼吸中捕获生物水分的实物图。 I）在有/无HEG条件下，四种水果在不同储存时间内的保鲜效果对比。实验在20%相对湿度的室内环境（浙江杭州，2025年1月）中进行。

图8通过户外实测验证了HEG在真实环境中的可靠性。在昼夜湿度与温度剧烈波动的户外条件下，HEG仍能保持约1.2伏的稳定输出电压，其性能显著优于室内环境。研究表明，白天较强的日照与风力补偿了湿度下降对发电的影响，而夜间高湿度则进一步增强了湿气驱动发电效果，实现了全天候稳定运行。

图8：HEG在户外条件下的增强功率输出与实际演示。 A、B）HEG设备在户外与室内环境中的性能比较。 C）使用手持万用表对HEG单元进行户外测试的实景图。 D）HEG在透光与遮光条件下的户外长期电压性能。户外电气测试于2025年2月在浙江杭州进行，并在不同时段记录了温度、湿度与太阳辐照度等外部参数。

总之，HEG通过仿生设计实现了对湿度、光照、风力、热量等多种环境能量的高效捕获与转换，不仅提供了可持续的电力输出，还在水果保鲜等实际场景中展现出多功能潜力。尽管其在长期运行中可能面临离子耗尽与电极钝化等挑战，未来通过材料与结构优化，有望进一步延长设备寿命，推动其在离网电子、环境监测与智能包装等领域的广泛应用。

来源：高分子科学前沿

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