两院院士领衔！顶刊Chemical Reviews综述：水伏发电机

水伏发电机（ Hydrovoltaic Electricity Generators, HEGs）是一类能够利用水与材料界面相互作用，将环境中广泛存在的水能转化为电能的新型绿色能源器件。无论是空气中的湿气、液态水的渗流，还是蒸发过程中产生的界面变化，都可以成为驱动电能输出的重要来源。由于水资源丰富、来源广泛，HEGs 在分布式供能、环境监测、可穿戴电子和自供能器件等领域展现出良好的应用前景。HEG 研究在早期更多依赖于材料的经验性筛选，而随着研究不断深入，人们逐渐认识到，其性能提升不仅取决于材料本身，更与界面化学特性和器件结构设计密切相关。一方面，材料表面的化学性质决定了水分子和离子在界面的行为方式；另一方面，器件的孔道结构、层级构型以及整体布局，又会进一步影响水的传输、分布和能量转换效率。换言之，HEG 的工作性能本质上是“材料化学”与“结构工程”共同作用的结果。基于这一认识，本综述从化学与结构协同调控的角度，对HEG领域的发展脉络、代表性体系及其基本工作规律进行了系统梳理。文章重点讨论了不同类型器件在界面作用、结构构筑和性能优化方面的共性与差异，概括了影响输出能力、稳定性和功能拓展的关键因素，并进一步总结了面向高性能、长寿命和多功能HEG器件的设计思路。

图1. HEGs的发展。（a）利用 VOSviewer 软件生成的聚类图谱对研究热点进行分析；节点的大小和颜色分别对应发文量和发表年份。（b）与 HEGs 相关理论的发展历程。（c）具有代表性的 HEGs 及其结构。

HEGs 主要包括两类与水相关的发电模式，即湿气诱导发电器（MEGs）和蒸发诱导发电器（EEGs）。自 2015 年和 2017 年两项代表性研究明确这两种工作模式以来，HEG 领域发展迅速，相关研究持续增加。早期研究主要集中于碳基材料、层状双氢氧化物、硅基材料和 MXenes 等无机体系，而近年来，聚电解质、离子水凝胶及其复合材料逐渐成为研究热点，反映出聚合物和生物基材料在柔性、湿度响应性和机械稳定性方面的优势日益受到重视。在器件设计方面，非对称结构、双层结构和异质结等新型构型不断出现，说明 HEG 器件正朝着多样化和精细化方向发展。同时，吸湿、离子梯度、离子解离、电荷分离、电双层和氧化还原反应等关键词的持续出现，也表明界面化学与离子传输机制始终是这一领域的核心问题。

图2. HEGs 的综合概述。

本综述围绕 HEGs 构建了化学构筑单元—发电路径—器件结构—应用场景这一清晰的逻辑（图2）。文章重点聚焦两类以湿气诱导和蒸发诱导过程为主要发电路径的 HEGs，突出分析化学原理与器件结构之间的协同作用。在化学层面，本文重点从六个关键维度展开讨论，包括受限界面水、官能团电离、离子—表面相互作用、电双层与流动电势、氧化还原贡献以及环境调控参数。这些核心因素共同决定了 HEGs 中离子迁移、电荷分离和能量转换的基本行为与作用机制。在器件结构层面，本综述进一步对纤维、薄膜、多孔网络和多层结构等典型器件形式进行了归纳与分析，重点评估不同结构如何承载、调控并强化上述化学机制。通过将化学机制与结构设计两个维度有机贯通，本综述不仅阐明了 HEGs 的机理基础，也为面向多功能应用的高性能、高稳定性和可持续器件设计提供了系统性的思路与指导。

图3. HEGs 中的化学原理。（a）水分子的基本性质。（b–d）体相及不同限域环境下水分子的氢键网络。（e, f）典型官能团及其电离/水解过程形成带电孔壁的示意图。（g）水凝胶中水分子的三种典型结合状态。（h, i）不同湿度条件下水合程度的差异。（j）离子溶剂化示意图。（k）采用锌金属电极的 HEGs 中的氧化还原反应与离子扩散。（l）不同活性材料的氧化还原电位。

HEGs 的工作本质上由界面化学所主导。受限水结构、表面官能团的解离、离子与表面的配位作用以及电双层的形成，共同决定了体系中的电荷传输过程。同时，寄生的氧化还原反应或赝电容效应可能干扰甚至掩盖材料本征的水伏发电贡献，而 pH、离子强度和溶剂组成等环境因素也会持续影响界面平衡与能量转换行为。因此,作者系统讨论了受限界面水、官能团电离、离子—表面相互作用、电双层与流动电势、氧化还原干扰以及 pH、离子强度和溶剂化环境等关键因素，旨在揭示 HEGs 中电荷分离与离子迁移的化学基础，并为后续器件设计和性能优化提供机理依据。

图4. 不同器件结构的示意图；本综述主要围绕三个方面展开：活性材料、制备策略和关键可调参数。

除了材料组成和发电机理之外，HEGs 的整体结构设计同样是决定器件性能的关键因素。器件结构不仅影响离子传输路径和界面作用方式，也直接关系到最终的输出能力与应用表现。随着研究的不断深入，HEGs 已逐步形成几类较为典型的结构形式，主要包括柔性好、易集成的纤维型结构，厚度可控、便于规模化制备的薄膜型结构，具有丰富水接触界面的多孔网络型结构，以及通过强化梯度效应来提升输出性能的多层结构。不同结构各具特点，也在离子传导、机械稳定性、环境适应性和制备工艺等方面体现出不同的优势与权衡。本综述围绕这些典型结构的代表性研究进展展开综述，重点讨论活性材料选择、制备方法以及可调控的化学和结构参数如何协同作用，进而形成高性能器件的设计思路。

图5. HEGs 的代表性应用。HEGs 可应用于多个领域，包括为便携式电子设备供电，医疗健康监测（如呼吸、运动、汗液离子和伤口愈合监测），智慧农业（如灌溉、作物生长和水产包装），环境监测（如湿度、温度和水位监测），以及低功耗摩尔斯电码通信等信号传输场景。

随着研究不断深入，HEGs 已展现出广阔的应用前景。作者指出，这类器件目前最常见的应用是作为微型电源，为计算器、LED 灯、手机等电子设备供电或辅助充电，体现出其在可持续便携能源方面的应用价值。此外，HEGs 还可用于呼吸监测、运动追踪、汗液离子检测和伤口辅助愈合等医疗健康场景，在可穿戴自供能器件中具有良好潜力；在智慧农业领域，可拓展至智能灌溉和智能水产包装；在环境监测领域，则可用于湿度、温度和水位等参数的实时检测。凭借自供能特性，HEGs 在偏远地区和复杂环境中也具有长期稳定工作的优势。同时，其在信号传输方面的潜力也逐渐受到关注，例如可用于低功耗信息传递和应急通信。

最后，作者对全文进行了总结，并提出了 HEGs 未来发展的重点方向。通过对不同器件结构的比较，作者指出，薄膜型 HEGs 研究最为广泛，综合性能较为均衡；多孔网络型和多层型器件通常具有更高输出，在实际应用中更具潜力；纤维型器件虽具柔性优势，但在输出能力和制备可行性方面仍有局限。总体来看，HEGs 与光伏、摩擦纳米发电机等其他绿色能量采集技术相比，仍存在发电效率偏低、功率密度有限和机理认识不足等问题，这些仍是制约其规模化应用的关键瓶颈。

在未来展望中，作者提出了八个重点方向，包括拓展材料体系、深化机理研究、加强化学过程解析、优化器件结构设计、建立标准化测试与报告体系、推进规模化制造、拓展应用场景以及引入 AI 加速研究。总体而言，作者认为，随着材料、机理、结构设计、制造工艺和应用场景的持续推进，HEGs 有望从一种新兴能量采集技术，逐步发展为兼具供能与智能感知能力的重要可持续技术平台。

该综述以“Hydrovoltaic Electricity Generators: A Comprehensive Overview of Chemical and Architectural Designs”为题目发表在《Chemical Reviews》上，文章第一作者是延世大学材料学院博士赵凯莹和博士生李胜优。通讯作者为CheolminPark院士和昝广涛研究教授。

通讯作者简介：

CheolminPark教授，韩国科学院/工程院两院院士，延世大学（QS 50）杰出教授。目前担任Director of BK21 Education and Research Division for Futuristic Human-centric Materials, Director of Center for Artificial Synesthesia Materials Discovery，以及Board of Directors in Materials Research Society (MRS)。他于1992年和1995年在首尔国立大学获得学士和硕士学位，2001年在麻省理工学院获得博士学位，2001-2002年，在哈佛大学担任博士后研究员。2002年9月起，在延世大学成立Nanopolymers课题组，研究方向涉及光电材料和器件，钙钛矿以及低维纳米材料，能量收集等并探索其在柔性传感，发电和交互显示器件的广泛应用。迄今已在Nature materials, Nature communications, Science advance, Energy & Environmental Science, Advanced materials等期刊发表270多篇SCI论文。

昝广涛，博士，现为延世大学（Yonsei University）Research Professor。分别于同济大学和西北工业大学获得博士和学士学位，随后在Cheolmin Park教授课题组从事BK21博士后研究。其研究聚焦于纳米材料的仿生合成及其在柔性电子与可穿戴器件中的应用。已发表学术论文近60篇，其中以（共同）第一作者或通讯作者在Chemical Reviews、PNAS、Nature Communications、Matter、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition和Energy & Environmental Science等期刊发表约30篇。相关成果入选3篇ESI热点论文和5篇高被引论文，总引用近2000次。申请中国、韩国和美国专利20项，其中12项已获授权。曾担任Exploration学术编辑及Science Bulletin、Nano-Micro Letters、Research等期刊青年编委。

课题组网站：

https://yonseinpl.wixsite.com/nanopolymer

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.5c00945