李奇军, 赵宏佳, 刘龙涛, 鹿春怡, 谈静

高等学校化学学报 2025, 46 (6): 20240413-. DOI:10.7503/cjcu20240413

摘要（413）

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湿气发电是近年来兴起的一种新型能源转化方式, 它可以将大气环境湿气中的能量直接转化为电能, 且不会衍生任何污染物及有害气体. 得益于大气中无处不在的水汽和清洁无污染的发电过程, 这一发电技术适应性极宽, 不受时间、地域及环境等自然条件限制, 因此“水汽发电”具有非常好的发展前景. 本文简单回顾了湿气发电技术的演进历程, 讨论了湿气与发电材料之间的相互作用机理, 主要包括离子梯度扩散和流动电势两个方面, 并对新型碳基吸湿层材料的种类、特性及其优缺点进行了分析，综合评述了湿气发电技术在最新应用领域的发展情况, 最后, 讨论了碳基湿气发电器件在应用中所面临的挑战和障碍, 并对未来该领域的研究方向进行了展望.

2018年，我们团队［21］首次将CPDs应用到湿气发电领域（图6）. 将CPDs打印在纸质基质上，通过构建非对称吸湿结构实现器件湿气发电. 单个器件可持续对外供电100 min，输出最大电压为40 mV，电流为142 nA［图7（A）~（D）］. 利用器件对湿度的响应特性，开展了器件呼气传感和触觉传感应用，展示了良好的稳定性和可重复性. 2022年， Shan等［22］以柠檬酸为前驱体合成具有亲水性表面的CPDs，并制备了CPDs基湿度传感器. 研究发现，该器件具有高灵敏度、优越的稳定性和重复性，该湿度传感器在94% RH下具有较高的响应灵敏度（5318%），在较大的RH范围内（11%~94%）具有优异的长期稳定性和重复性. 这些优异的湿度传感性能归因于CPDs表面的亲水性官能团. 2023年， Hu等［23］利用甲酸和过氧化氢的混合物对煤沥青进行选择性氧化刻蚀，得到CPDs悬浮液，将CPDs悬浮液引入聚（4-苯乙烯磺酸）（PSS）和聚乙烯醇（PVA）的聚电解质膜，获得了高效的湿气发电器件. 该湿气发电器件能产生0.83 V的持续电压输出和5.20 μA/cm2 的短路电流.

... 2018年，我们团队［21］首次将CPDs应用到湿气发电领域（图6）. 将CPDs打印在纸质基质上，通过构建非对称吸湿结构实现器件湿气发电. 单个器件可持续对外供电100 min，输出最大电压为40 mV，电流为142 nA［图7（A）~（D）］. 利用器件对湿度的响应特性，开展了器件呼气传感和触觉传感应用，展示了良好的稳定性和可重复性. 2022年， Shan等［22］以柠檬酸为前驱体合成具有亲水性表面的CPDs，并制备了CPDs基湿度传感器. 研究发现，该器件具有高灵敏度、优越的稳定性和重复性，该湿度传感器在94% RH下具有较高的响应灵敏度（5318%），在较大的RH范围内（11%~94%）具有优异的长期稳定性和重复性. 这些优异的湿度传感性能归因于CPDs表面的亲水性官能团. 2023年， Hu等［23］利用甲酸和过氧化氢的混合物对煤沥青进行选择性氧化刻蚀，得到CPDs悬浮液，将CPDs悬浮液引入聚（4-苯乙烯磺酸）（PSS）和聚乙烯醇（PVA）的聚电解质膜，获得了高效的湿气发电器件. 该湿气发电器件能产生0.83 V的持续电压输出和5.20 μA/cm2 的短路电流. ...

... 面向可持续绿色能源技术对湿气发电器件的高功率、全天候、集成化特性的需求， 2023年，我们团队［24］通过调控CPDs表面基团和设计异质电极结构，开发了全天候适用、高效、可集成的CPDs湿气发电机（图8）. 在85%的空气湿度下，该器件可持续稳定工作，输出电压高达0.8 V［图9（A）］，电流密度高达1.6 mA/cm2［图9（B）］，是目前所有湿气发电器件的最高电流值和功率密度. 即使在15%的低空气湿度下，器件也能提供0.65 V的电压和12 μA/cm2 的电流输出. 通过研究CPDs表面基团种类对器件输出功率的影响，明确了CPDs高吸湿、强电离能力增强器件电能输出产电机制. 借助于CPDs可印刷性，通过丝网印刷实现了器件的大规模集成，获得了210 V和40 mA的电能输出［图9（C）］，并可为商用微电子设备供电. ...

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