成果简介

2022年5月9日，清华大学曲良体教授和程虎虎助理研究员、中国科学院力学研究所刘峰副研究员（共同通讯作者）等人报道了一种水分吸附-解吸发电机（moisture adsorption-desorption power generator, MADG），其采用三维（3D）多孔和可电离组件周围封装。MADG不仅在高相对湿度（RH）下产生水分吸附发电，而且在低RH下基于离子扩散赋予水分解吸发电，分别由离子浓度差和离子水合能主导，并且通过固态核磁共振（NMR）实验测试结合理论计算进一步验证了该假设的工作机制。对比以往单一吸附过程的MEG，全循环MADG将吸附和解吸发电集成到一个闭环过程中，因此它可以提供可重复的发电性能，并将多功能的基于水分的能量转化为电能。

MADG装置可在100% RH（吸水）下产生约0.5 V的高电压和约100 μA的电流，并在15±5% RH（吸水）下提供电输出（约0.5 V和约50 μA）。MADG的最大输出功率密度接近120 mW m-2，实现了内部电阻和最大输出功率密度之间的极好权衡，以贡献于直接外部电源。相应地，MADGs可以直接提供足够的电力来长期驱动商用电子设备和电化学过程，并在实际户外根据动态相对湿度进行连续全循环发电。

背景介绍

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。无所不在的水循环涉及在蒸发过程中从液态水到气态水的转变，以及在凝结过程中的相反转变，这提供了巨大的能量交换。这种潜在的能量演变成多种形式，接近每年约60 ×1015 W，比人类活动的平均电力消耗高出几个数量级，但这些能量中很少有被利用。

近年来，已开发出湿气发电技术有效地利用吸湿材料与大气水分子的吸附相互作用，将化学能从湿气转化为电能。然而，湿式发电机（MEG）将停止提供电力输出，因为单一的水吸附过程趋于平衡状态，反映了其不可持续和非重复发电的瓶颈。一天中高相对湿度（RH）和低相对湿度之间的交替变化是与水文循环一起常见的自然现象。由于MEG的高RH和发电性能之间的严重依赖关系，根据动态环境中的RH变化发电仍然是一个挑战。

图文速递

图1. MADG的设计

图2. SAG薄膜的结构和性能

图3.MADG装置的发电性能

图4. 影响MADG发电性能的因素

图5. T核磁共振实验和理论计算验证工作机制

图6. 工作机理论证与能源探讨

图7. MADG的应用

小 结

总之，作者开发了MADG装置，采用了协同SAG薄膜和特殊封装。一个MADG单元可产生约0.5 V的开路电压和约100 μA的短路电流，最大输出功率密度可达120 mW m-2。基于定向水分输送和离子扩散，MADG集成了离子浓度驱动的吸湿发电和离子水合能主导的解吸发电，具有循环电力输出和环境适应能力。

此外，实验测试与理论计算相结合，为离子水化能驱动力的存在提供了有力的证据。 MA DG提供的能量长期直接为商业电子设备供电，创造性地 驱动电化学过程，并在实际环境中响应不同的RH进行发电。

因此，MADG为可持续能源收集和转换提供了强有力的途径。在未来的探索中，发电材料的合理调节（丰富的官能团等）和器件结构设计（封装层等）将有可能实现高效且可重复的吸湿脱附和快速的离子扩散，能够进一步提高MADG设备的性能。

文献信息

Moisture adsorption-desorption full cycle power generation.Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-30156-3.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30156-3.