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新型蒸发发电机效率突破20%

从低功率密度的环境热能中高效获取电能，是可持续能源领域的一项长期挑战。大气热能虽总量巨大且昼夜不间断，但其功率密度极低（低于100 W m⁻²），难以形成有效的能量梯度，导致传统蒸发驱动发电器件中电荷载流子输运阻力大、随机散射严重，吸收的能量中高达99.9%以废热形式耗散。受自然界水循环中蒸发过程持续吸收并利用大气热能的启发，蒸发驱动发电（hydrovoltaic power generation）被视为一种有潜力的技术路径。然而，现有薄膜或块体构型的蒸发发电机受限于非定向且缓慢的流体流动，离子输运受阻，功率密度（PD）和能量转换效率（PCE）极低。

针对上述瓶颈，苏州大学江林教授、孙迎辉教授、彭美文副教授合作，设计了一种机器学习（ML）指导的垂直微棒发电机（VMG）。该器件利用高曲率圆柱表面产生定向拉普拉斯压力梯度，驱动快速流体流动，并结合与Bjerrum长度匹配的纳米限域通道及Donnan效应，实现了准弹道离子输运（图1e）。VMG在66.4 W m⁻²的吸收热流下，达到21.5%的功率转换效率和14.3 W m⁻²的功率密度，较传统蒸发发电机提升了两个数量级，并在30天环境测试中保持稳定。集成阵列可驱动应急灯、36 W吸顶灯等商业设备，为离网供电提供了实用路径。相关论文以“Quasi-ballistic ion transport in a vertical microrod enabling efficient evaporation-driven power generation”为题，发表在Nature Energy上。

研究团队首先借助机器学习框架指导器件设计。他们构建了包含六个流体力学输入描述符（长度、宽度、厚度、Zeta电位、盐浓度和温度）的极端梯度提升（XGB）模型（图1a），训练数据涵盖331组实验测量和254组文献数据，经严格筛选排除了使用活性金属电极的研究。绝对皮尔逊相关性分析显示，宽度（W）是影响功率密度的主导因素，相关系数达0.71（图1b）。模型对7168种结构组合的预测表明，当宽度降至550 μm时，功率密度达到理论最大值，较薄膜器件提升两个数量级（图1c）。实验验证中，3D打印制备的550 μm宽VMG实测功率密度与预测误差小于7.7%，且在不同温度和盐浓度下预测误差均低于9%，证实了模型在复杂多参数耦合系统中的精准导航能力。

图1 | 机器学习优化的准弹道离子输运几何结构。 a，蒸发驱动发电中水流速度的机器学习框架。基于六个输入描述符（长度L、宽度W、厚度THK、Zeta电位ζ、氯化钠浓度C和温度T）的多模型优化工作流程。 b，输入参数与输出功率密度之间的绝对皮尔逊相关性分析，确定宽度（W）为主导因子（|r| = 0.71）。 c，XGB模型预测的功率密度随VMG宽度变化，揭示550 μm为能量收集的最佳宽度。 d，在VFG中，层流为非定向且缓慢的，导致能量耗散及低功率密度和能量转换效率。在稳态下，中心水面保持平面，拉普拉斯力为零。此外，双电层内的耗散性离子输运进一步造成能量损失，导致低功率密度和能量转换效率。 e，VMG表现出定向且快速的水流，能有效地将大气热能转化为电能。由于其结构曲率，VMG中心水面呈凹形，产生拉普拉斯压差，进而形成定向拉普拉斯力驱动层流。其高曲率圆柱表面诱导出凹液-气界面，产生拉普拉斯压差作为定向力（Fad）驱动流动。此外，双电层内的准弹道离子输运使离子迁移方向与内建电场（E）平行，从而最小化能量耗散。

为了揭示宽度主导性能的物理根源，作者对比了垂直薄膜发电机（VFG）与VMG的离子输运行为。VFG因平面结构曲率近乎为零，液-气界面平坦，拉普拉斯压差极小，导致流体流动非定向且缓慢，离子输运以耗散性扩散为主，其功率密度和转换效率分别低于0.1 W m⁻²和0.1%（图1d）。相比之下，550 μm直径的VMG具有高结构曲率（约1818 m⁻¹），在凹液面处产生显著拉普拉斯压差，提供定向驱动力，使水流速度达到0.5 cm s⁻¹，且方向与内建电场平行。红外热成像显示，VFG在2秒和4秒时水流前缘推进不均匀，边缘快而中心慢，平均速度仅0.125 cm s⁻¹（图2a），且中心区域出现明显积液（图2b）；而VMG在0.5秒内即均匀上升，1秒内完成输运，平均速度约0.5 cm s⁻¹（图2d-e）。计算流体动力学模拟进一步显示，VMG稳态流速分布更均匀（图2f），而VFG流动停滞明显（图2c）。这一宏观定向流动为后续的准弹道离子输运奠定了必要条件。

在纳米尺度上，VMG的高性能源于其通道尺寸与Bjerrum长度（lB ≈ 0.8 nm）的精确匹配。扫描电镜和Horvath–Kawazoe孔径分析显示，VMG内rGO/CNT网络形成的纳米通道孔径集中在0.67–0.93 nm，与XRD测得的0.78 nm层间距一致。当通道尺寸接近Bjerrum长度时，离子从高散射热运动转变为静电关联主导的低散射定向运动。同时，rGO/CNT表面带负电（约-65 mV）产生的Donnan效应增强了对Na⁺的富集，重叠的双电层进一步强化了这一效应（图2g）。准弹道输运的特性通过温度依赖的短路电流测试得到验证：VMG的离子迁移活化能仅为0.053 eV，几乎与温度无关，而VFG的活化能为0.34 eV，呈现典型热激活行为。电化学阻抗谱也表明VMG的特征弛豫时间（0.193 ms）远快于VFG（0.418 ms），证实了其快速离子响应动力学。得益于此，VMG在0.6 M NaCl溶液中实现了1.1 V的开路电压和58 A m⁻²的短路电流密度（图2h），最大功率密度达14.3 W m⁻²（图2j），是VFG（0.08 W m⁻²）的222倍，相较于文献报道的传统蒸发发电机，其功率密度和电流密度均提升两个数量级（图2k）。

图2 | 拉普拉斯力驱动的准弹道离子输运及增强的发电性能。 a，VFG的红外热成像显示非定向且缓慢的层流，t = 2 s和t = 4 s时刻显示VFG上的水分分布（色标代表温度（K））。 b，光学显微镜图像显示VFG上的局部积液，表明流动停滞。比例尺，20 μm。 c，计算流体动力学模拟：VFG显示非定向且缓慢的流动（色标代表速度（cm s⁻¹））。 d，VMG的红外热成像显示经由准弹道路径的超快定向流动（u），t = 0.5 s和t = 1 s时刻显示VMG上的水分分布（色标代表温度（K））。 e，光学显微镜图像显示VMG上的均匀润湿。比例尺，20 μm。 f，计算流体动力学模拟：VMG显示超快定向流动（umax = 0.5 cm s⁻¹）（色标代表速度（cm s⁻¹））。 g，纳米孔道内离子输运示意图：宏观定向流动与纳米尺度最小化散射的协同作用实现了高效的准弹道离子输运。 h，VMG的电压-时间及电流密度-时间曲线。 i，VFG的对应曲线。测试于0.6 M NaCl溶液中进行。插图：分别为VMG和VFG对应电性能测试的光学图像。 j，VMG和VFG在不同负载电阻下输出的功率密度。 k，VMG与VFG及传统蒸发发电机（文献13–16, 36–40）的性能对比，显示功率密度和电流密度均提升两个数量级。为适应不同器件配置的宽数值范围，图中使用了坐标轴截断和不同标尺。

研究进一步考察了器件取向和环境温度对性能的影响。当VMG从水平（0°）旋转至垂直（90°）时，电流提升150%，而VFG仅提升10%（图3a），且开路电压变化小于10%。计算模拟表明，垂直取向确保流体方向始终与内建电场平行，离子迁移方向与电场对齐，从而实现准弹道输运（图3b）；而水平构型中重力引起的流动偏转导致离子迁移方向与电场失配，增加能量耗散（图3c）。在温度适应性方面，当环境温度从286.15 K升至316.15 K时，VMG的开路电压从0.94 V升至1.44 V，短路电流密度从49.2 A m⁻²升至78.6 A m⁻²（图3d），吸收的大气热通量（QATE）从49.0 W m⁻²增至128.3 W m⁻²，功率密度相应从11.5 W m⁻²提升至26.3 W m⁻²（图3e）。在整个温度区间内，功率转换效率保持在20%以上，在293.15 K（即20°C）下达21.5%（图3f），展现了宽温域高效稳定工作的能力。长期稳定性测试表明，碳电极VMG在60天内（前30天监测电流，后30天监测电压）输出无明显衰减（图3g），归因于其亲水多孔结构促进快速盐离子对流扩散，避免了盐结晶积聚。

图3 | 准弹道离子输运实现全热区收集与器件稳定性。 a，微棒与薄膜器件电流变化率（ΔI/I）随取向角度的变化（插图：HMG：θ = 0°，30° TMG：θ = 30°，60° TMG：θ = 60°，VMG：θ = 90°的构型；数据以平均值±标准差表示（n = 10次独立实验，生物学重复）；以HMG为对照）。 b，VMG上端区域水流场模拟：离子迁移方向（uion）受流体方向主导，并与内建电场（E）保持完美平行，从而实现准弹道离子输运（色标代表速度（cm s⁻¹））。 c，HMG上端区域水流场模拟：重力驱动的流动偏转导致离子迁移方向（uion）与内建电场（E）之间产生失配（色标代表速度（cm s⁻¹））。 d，开路电压（Voc）和短路电流密度（Jsc）随温度变化的误差棒图（数据以平均值±标准差表示（n = 10次独立生物学重复））。 e，VMG的功率密度和从大气热能吸收的总热量（QATE）随温度变化的误差棒图。数据以平均值±标准差表示（n = 10次独立生物学重复）。 f，不同温度下能量转换效率的误差棒图。数据以平均值±标准差表示（n = 10次独立生物学重复）。 g，VMG的稳定性测试。在环境条件下（相对湿度53–66%；温度291.15–297.75 K），前30天监测Jsc，随后30天监测Voc。

基于上述准弹道输运特性，研究团队开发了模块化集成系统。通过丝网印刷碳电路，他们构建了10、100和1050个VMG单元的并联阵列（图4a-b），电流随单元数量线性增长（图4c）。一个由1050个单元组成的阵列（15×14×0.8 cm³）可输出10 mA的持续电流，而8组阵列串联（15×14×10 cm³）可提供8 V电压和10 mA电流，并在7天连续测试中保持稳定。在实际应用演示中，3×100单元的小型电源（49.5 g，5×5×1.5 cm³）成功为安全头盔上的应急灯供电（图4d）；4×1050单元系统驱动110米射程激光手电筒，用于莫尔斯码求救信号；8×1050单元阵列（总尺寸15×14×10 cm³）可点亮36 W吸顶灯（图4e），在12 m²区域内提供300 lux照度，其光谱证实为可见光波段白光发射，光通量为5.482 lm（图4g），并驱动响应时间小于1秒的声光烟雾报警器（图4f）；此外，该系统还能驱动包含1200颗LED的大型信息显示板（2.8×1.6 m²），展现了从个人便携设备到公共基础设施的广阔应用前景。

图4 | 准弹道系统的模块化集成用于实际功率输送应用。 a，包含10、100和1050个VMG单元的碳电路光学图像。比例尺，2 mm。 b，1050单元VMG阵列的侧视图，清晰显示碳电路及通过亲水纸供水的示意图。比例尺，1 mm。 c，10、100和1050个VMG并联集成后的电流-时间曲线。 d，使用3×100个VMG单元供电的应急灯。比例尺，1 cm。 e，由8×1050个VMG单元供电的36 W吸顶灯，拍摄于会议室中。 f，8×1050个VMG单元的光学图像。 g，由4×1050个VMG单元供电的吸顶灯的光谱图，证实可见光波段白光发射，同时量化光通量为5.482 lm。

该工作通过机器学习引导的几何结构优化，成功在高曲率微棒中实现了宏观定向流体流动与纳米限域低散射离子输运的协同，攻克了低功率密度大气热能高效转化为电能的关键障碍。VMG不仅实现了超过20%的功率转换效率和卓越的长期稳定性，其模块化集成能力更使其能够直接驱动各类商用电子设备，无需储能缓冲。这一突破为开发无时空限制、可靠且可扩展的离网电源提供了切实可行的技术路径，有望推动大气热能这一普遍存在的可再生能源走向实际应用。