在全球对可再生能源需求日益增长的今天，从广泛可得资源中捕获能量成为关键挑战。水因其在蒸发、降雨和流动等自然过程中蕴含的巨大能量潜力而备受关注，预估其能量规模远超全球年能耗数个量级。水伏技术通过将水分子与纳米材料界面的相互作用能转化为电能，展现出比传统太阳能或风能系统更广泛的适用性和更低的外部条件依赖性。然而，尽管潜力巨大，水伏技术在极端温度下的性能仍是关键瓶颈，其核心挑战在于水分子对温度敏感的氢键网络——高温下氢键易断裂，低温下则变得僵化，这两种情况都会破坏对水伏转换至关重要的离子解离与传输，严重限制了该技术的实际应用。
针对上述挑战，大连理工大学李林教授课题组提出一种创新的分子簇策略。该策略利用有机分子与有机盐阴离子相互作用，形成稳定的复合簇。这些簇能增强水的相变能垒和热稳定性，同时缓解静电屏蔽效应，从而在宽温范围内有效克服离子传输瓶颈。基于此策略制备的水凝胶工作温区可达-35°C至80°C，其功率密度较现有技术提升了一个数量级。此外，该水凝胶展现出优异的热稳定性和机械稳定性，在严寒与高热等恶劣条件下仍能保持超过1000%的拉伸率和稳定的性能。这些进展使得水伏系统能够在柔性电子、环境监测和自供能设备等极端环境下可靠运行，为多样化和严苛的应用场景提供可持续的能源解决方案。相关论文以“Molecular clustering unlocks high-performance hydrovoltaics across temperatures from −35 °C to 80 °C”为题，发表在
Nature Communications
研究团队首先基于分子簇概念设计并制备了一种全有机水凝胶系统。通过引入乙醇酸（GA）和乙醇酸钠（SG）来诱导阴离子围绕GA形成“分子簇”。傅里叶变换红外光谱和X射线散射分析证实了分子间相互作用的存在以及水凝胶结构的均匀性。理论计算表明，形成的SG-GA-SS分子簇具有稳定的结合能，其结构增强了表面负电荷和水分子的结合能力。
图1：不同温度下水伏转换的物理过程与电性能。 a. 水伏转换在宏观和微观尺度上的物理过程，包括室温下水分子与纳米材料相互作用及离子传输过程的微观示意图。 b. 水在不同相中的吉布斯自由能与温度的关系，交点对应于水的凝固点和快速蒸发温度。微观插图展示了相应高低温下的水伏转换，显示了材料结构、水分子氢键网络及离子传输环境的变化。 c. 分子簇策略促进离子在拓宽温度范围内传输的示意图。 d. 通过分子簇形成的复合簇模型。包含分子簇的系统与单独使用氨基磺酸钠（SS）的系统在开路电压（Voc）和短路电流（Isc）上的比较。 e. 本研究的水伏器件与现有器件在不同温度下的最大功率密度比较。
为了阐明分子簇如何拓宽工作温区，研究人员进行了系统的模拟与实验分析。密度泛函理论模拟显示，分子簇显著提高了磺酸基团的负电荷，并降低了水合焓，意味着更强的水结合能力。分子动力学模拟进一步可视化地展示了簇周围更密集的水分子分布和更多的氢键数量。热力学测量数据证实，与单一组分系统相比，分子簇能将快速蒸发的起始温度提升至84°C，并将快速冻结的起始温度降低至-41°C，显著延长了液态水的保留时间。在-35°C至80°C范围内，该水凝胶保持了稳定的表面形貌、光学透明性和卓越的机械性能，拉伸应变可达约1000%，杨氏模量偏差小于15%，表现出强韧的弹性和延展性。
图2：分子簇的材料表征及分子簇增强水结合的模拟分析。 a. 纯聚丙烯酰胺/乙烯基磺酸钠水凝胶依次添加氨基磺酸钠（SS）、乙醇酸钠（SG）、乙醇酸（GA）及仅含GA分子的SAXS光谱。 b. 添加了SS-SG和SS-SG-GA的水凝胶的SAXS二维图谱。 c. SS系统与分子簇系统的静电势图比较，重点关注氧（O）和氢（H）原子上的电荷分布。 d. SS系统与分子簇系统的水合焓比较，突出了后者增强的水结合能力。 e. 径向分布函数显示，与仅含SS的系统相比，分子簇系统中氨基周围的水结合增加。 f. 仅含SS系统与分子簇系统中氨基周围水分子分布的MD模拟快照，强调了分子簇对水的稳定作用。
在提升水伏性能方面，分子簇策略有效促进了离子传输。模拟分析表明，分子簇的形成减少了钠离子迁移的空间位阻。离子电导率测试显示，在-35°C、25°C和80°C下，分子簇水凝胶均表现出高电导率，尤其在低温下较许多现有离子凝胶提升超过50%。在模拟真实环境温度梯度的非等温实验中，分子簇将开路电压响应提升了183%。研究还评估了使用不同金属电极的性能，发现锌电极能提供更高且更稳定的平均开路电压。基于这些优异特性，分子聚类水凝胶在-35°C至80°C的宽温区内均实现了高效稳定的水伏发电，其峰值输出功率比多数已报道器件至少高一个数量级。由28个水凝胶单元并联组成的器件，在极端高低温下均能维持长达120小时的输出电压半衰期，展现出在极端环境中持续收集能量的巨大潜力。
该分子簇策略展现出良好的普适性。当用水凝胶中的其他组分进行替换时，该策略依然能有效拓宽水凝胶的工作温度窗口并提升其水伏发电性能。为探索更广泛的应用，研究人员还将该水凝胶用于制备压力传感器。即使在-35°C和80°C的极端温度下，传感器仍能保持有效的响应，证明了分子聚类在维持有效离子传输和抵御高低温效应方面的优势，为在恶劣条件下实现自供能传感等多功能设备奠定了基础。
图3：分子簇促进下水分子间氢键的模拟与实验分析及水凝胶内水的热力学稳定性。 a. 比较仅含SS系统与分子聚类系统中水分子空间分布的MD模拟快照。 b. SS系统与分子聚类系统中，直接与官能团结合（第一水合壳层）和间接结合（剩余水合壳层）的水分子的氢键数量统计。 c. 突出分子簇引起水分子化学键变化的FTIR光谱比较。 d. SS系统与分子簇系统中水的拉曼光谱，标出了与直接和官能团相互作用的强结合水分子相关的峰。 e, f. 分子簇系统、SS及常用乙二醇（EG）在蒸发焓、凝固焓、快速蒸发起始保留时间及凝固点保留时间方面的比较。 g. 分子簇水凝胶（边长1.5厘米）在多轴平面拉伸过程中的连续图像。水凝胶在立即进行拉伸测试前，预先暴露于80°C和-35°C环境。 h. 分子簇水凝胶的温度范围与已报道的软机器人、柔性电子、生物电子和生物医学应用之比较。
图4：不同温度下分子簇水凝胶的电性能。 a. 分子簇水凝胶的温度依赖性离子电导率。 b. 含分子簇与不含分子簇的水凝胶在不同温度下的电阻比较。 c. 含分子簇与不含分子簇的水凝胶对温度梯度的电位差响应。 d. 分子聚类水凝胶的集成样品照片。 e. 分子簇水凝胶在80°C和-35°C下长期维持的水伏开路电压。 f, g. 分子簇水凝胶在施加压力下的示意图、照片及电流响应信号，展示了其在宽温范围内于压电器件中的潜在应用。
这项研究提出的分子簇策略成功克服了传统水伏系统的局限性，实现了在-35°C至80°C极端宽温范围内的稳定高效发电。分子簇协同作用稳定了水的热力学性质并增强了离子传输，使器件功率密度提升一个量级，并在极端环境下稳定工作长达120小时。该策略不仅提升了水伏转换性能，还赋予了水凝胶卓越的机械性能。这些进展为水伏技术在柔性电子、环境监测和生物医学等领域的极端环境应用开辟了广阔前景，分子聚类策略的通用性也为开发耐受极端热环境的功能材料提供了新框架。
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