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近日，清华大学曲良体教授、程虎虎助理研究员和中国科学院力学研究所刘峰副研究员合作在顶级期刊Nature Communications上在线发表重要研究成果，报道了一种基于环境湿度变化的自适应环境发电装置（MADG）。该装置依靠材料在不同环境湿度下的吸湿-解析效应，有效地将水分在吸附和解析过程中产生的能量转化为电能，并成功用于并在实际户外连续全循环发电。

【研究概要】

环境适应发电在新一代能源转换中发挥着重要作用。为此，研究人员提出了一种基于多孔电离组件的吸湿-解吸发电装置(MADG)，该装置在高RH时自发吸附水分，在低RH时自发解吸水分，从而实现循环发电。MADG单元在相对湿度为100%时，可产生~0.5 V的高压和100 μA的电流，在相对湿度为15±5%时，可产生~0.5 V和~50 μA的电输出，最大输出功率密度接近120mw m−2。这种MADG器件可以传导足够的能量照亮户外应用的路灯，并直接驱动电化学过程。这项工作为多功能水分能量转换提供了闭环途径。。

【研究背景】

水作为可循环资源，不仅对生命至关重要，而且是地球上最大的能量载体、调节器和平衡器，主要通过水循环提供。无所不在的水循环包括在蒸发过程中由液态水转化为气态水，如海洋蒸发; 在凝结过程中由液态水转化为气态水，如云中降水，提供了巨大的能量交换。这种潜在能量演变成丰富多样的形式，每年接近60×1015瓦，比人类活动的平均用电消耗高出几个数量级，但这些能量中只有很少一部分被利用。近年来，为了满足孤立离网地区的能源需求，开发了湿化发电技术，利用吸湿材料与大气水分子的吸附作用，将来自水分的化学能转化为电能。然而，随着单一吸水过程趋于平衡状态，湿电发生器(MEG)将停止输出电能，反映出其发电不可持续、非重复的瓶颈。相对湿度在一天内的高低交替变化是伴随水文循环的常见自然现象。由于高RH与MEG发电性能的高度依赖，如何在动态环境中根据RH的变化进行发电也是一个难题。

在这项工作中，研究人员提出了一种水分吸附-解吸电源(MADG)，采用三维(3D)多孔和可电离组件周围封装。MADG不仅能在高RH下产生水分吸附发电，还能在低RH下基于离子扩散而产生水分解吸发电，以离子浓度差和离子水合能为主。(如图1所示)。并通过固态核磁共振(NMR)实验测试结合理论计算对所假设的工作机理进行了合理的验证。与以往的MEG单一吸附过程相比，全循环MADG将吸附和解吸发电集成到一个闭环过程中，具有可重复发电的性能，并将多功能的水基能源转化为电能。MADG单元可以在100% RH下产生~0.5 V的高压和~100 μA的电流(吸水)，在15±5% RH下产生~0.5 V和~50 μA的电输出(吸水)。MADG的最大输出功率密度接近120 mW m - 2，实现了内阻和最大输出功率密度之间的极好平衡，对直接外部电源的贡献。相应的，MADGs可以直接提供足够的电力长期驱动商业电子器件和电化学过程，也可以在实际的户外环境下根据动态RH进行连续的全循环发电。

【图文解析】

Figure 1. Design of MADG. Scheme of the device structure, working principle, and photograph of device.

Figure 2. Structure and properties of SAG film. a Schematic of the SAG film composed of SA chains, SiO2 nanofiber, and rGO nanosheet. b Scanning electron microscopic (SEM) image of SAG film. Inset is the photograph of flexible SAG film. c Photos of SAG film in water during stirring (200 rpm) before and after 5 days. d Moisture adsorption and desorption kinetics for SAG film at 40oC. e Mt/Me and (Xt−Xe)/(X0−Xe) as a function of square root of time. f Adsorption and desorption diffusion coefficient of SAG film under different RH at 40oC. g Zeta potential of SAG film within the pH range from 3 to 8. h 23Na solid state NMR spectra of SAG film with various water content. i The electrochemical impedance spectra of SAG film at 100% RH.

Figure 3. Electricity generation of a MADG unit.

Figure 4. Factors that influence the electricity-generating performance of MADG.

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0.5 V的开路电压和接近100 μA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0.5 V的开路电压和约50 μA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。

Figure 5. Verification of working mechanism by NMR experiments and theoretical calculations.

Figure 6. Demonstration of working mechanism and discussion of energy sources.

Fig.7 Applications of MADG.

补充视频资料：

不同湿度驱动的发电装置应用

【实验方法】

1）多孔SAG膜的制备

7 g SA水溶液(CP ~200±20 mpa·s, 20 mg mL−1)、6.7 g SiO2纳米纤维(6 mg mL−1)、2.2 g GO (9.1 mg mL−1)、4.1 g水、0.5 mL乙醇通过搅拌均匀分散。然后，将混合溶液倒入直径55 mm的培养皿中。通过冷冻干燥制备多孔气凝胶。通过在80℃下还原水合肼蒸汽2小时，气凝胶中的氧化石墨烯组分进一步还原为还原氧化石墨烯。然后将还原后的气凝胶浸泡在0.3 M的AlCl3水溶液中，形成离子交联气凝胶。将制备好的交联气凝胶在45oC烘箱中干燥12 h，在10mpa压力下压缩，得到具有柔性的SAG膜。

2）MADG组装

SAG薄膜被用作发电材料。直接用商品金箔作无孔金电极。多孔金电极采用镀金-不锈钢网溅射处理。有孔/无孔金电极分别作为装置的上电极/下电极。将SAG膜夹在金电极之间，除上电极外，用热熔树脂密封，得到MADG装置。

【文章信息】

Wang, H., He, T., Hao, X. et al. Moisture adsorption-desorption full cycle power generation. Nat. Commun. 13, 2524 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30156-3