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高等学校化学学报
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碳基湿气发电器件的研究进展
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） HTML （4） PDF（pc） （31544KB）（123）  

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.



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Fig.11 Moisture power generation device prepared by PSSA/R membrane composed of PSSA matrix and R clusters(A)[31], the concept and working principle of biomimetic IAM(B)[32], experimental setup of PMEG and corresponding power output based on PSSA(C), simple and efficient WEG based on Geobacter sulfurreducens biofilm(D)[33]
PSSA/R： poly（4-styrensulfonic acid）/rose bengal； IAM： an interface architecture with microgrooves； PMEG： polymer moist-electric generator； WEG： wet electric generator. （A） Copyright 2022， John Wiley and Sons； （B） Copyright 2023， the Royal Society of Chemistry； （C， D） Open Access.
正文中引用本图/表的段落
含有亲水性官能团的聚合物［图11（A）~（D）］［31~33］呈现出一系列优异的性质， 如良好的机械性能和稳定性、 卓越的电气绝缘性、 强大的耐磨和抗腐蚀能力、 易于加工和成本低廉等. 此外， 一些特定的聚合物还具有柔韧性和可拉伸性， 并进行自我修复， 这些卓越的性能使其也可作为MEG中的活性介质. 在构建水含量梯度的过程中， 典型的离子扩散型MEG面临一个主要难题， 即由于发电层内传质速率过快， 导致材料迅速达到饱和状态， 进而破坏了水含量梯度的稳定性. 相对而言， 聚合物材料凭借其庞大的储水空间以及较低的氧气和水分扩散率， 能够有效地缓解上述问题， 从而在维持水含量梯度方面表现出较好的性能.
（A） Copyright 2020， Springer Nature； （B—E） Open Access. ...
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... 生物材料包括天然材料和合成材料［图10（A）］［25］， 通常由大量的羟基、 氨基和羧基等亲水官能团组成［图10（B）］［26］. 生物材料是一种丰富、 可再生的生物质资源， 来源广泛， 如木材、 秸秆和废弃植物等， 具有出色的可降解性和生物相容性， 这些特性使其在湿气发电器件方向具有巨大的潜力［27］. 目前， 众多生物材料已被应用于MEG器件中， 包括生物纳米原纤维、 醋酸纤维素、 棉织物、 天然木材和蛋白质纳米线等［图10（C）~（E）］［26］. 纸作为一种易于制备、 成本低廉、 可生物降解的生物纤维素材料， 其在MEG中得到广泛应用. 在先前研究［28］中， 通过使用不对称电极， 一张纸可以产生约0.25 V和15 nA的电输出， 这证明纤维素在发电领域的巨大潜力. Guo等［29］将一平方厘米大小的器件置于环境湿度中， 因为纤维素纸内带负电荷的通道和持续的水流蒸发过程， 使得器件的电力输出和使用寿命得到明显改善， 能够产生约0.78 V的电压和约7.5 μA的电流， 并且持续发电超过10 d. 在生物蛋白质材料的研究进程中， 明胶和丝绸能在潮湿环境中分别产生0.71和0.12 V的开路电压. 随后， Chu等［30］通过调节乳清蛋白材料表面电荷和亲水性实现了MEG器件的高效输出. 当室内相对湿度为40%时， MEG的最高输出电压为1.45 V. 此外， 该MEG可以在极端温度（?20 ℃或50 ℃）下正常工作， 能够在相对湿度为26%的沙漠中为位置跟踪器供电， 具有高可持续性和高可靠性. ...
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... 生物材料包括天然材料和合成材料［图10（A）］［25］， 通常由大量的羟基、 氨基和羧基等亲水官能团组成［图10（B）］［26］. 生物材料是一种丰富、 可再生的生物质资源， 来源广泛， 如木材、 秸秆和废弃植物等， 具有出色的可降解性和生物相容性， 这些特性使其在湿气发电器件方向具有巨大的潜力［27］. 目前， 众多生物材料已被应用于MEG器件中， 包括生物纳米原纤维、 醋酸纤维素、 棉织物、 天然木材和蛋白质纳米线等［图10（C）~（E）］［26］. 纸作为一种易于制备、 成本低廉、 可生物降解的生物纤维素材料， 其在MEG中得到广泛应用. 在先前研究［28］中， 通过使用不对称电极， 一张纸可以产生约0.25 V和15 nA的电输出， 这证明纤维素在发电领域的巨大潜力. Guo等［29］将一平方厘米大小的器件置于环境湿度中， 因为纤维素纸内带负电荷的通道和持续的水流蒸发过程， 使得器件的电力输出和使用寿命得到明显改善， 能够产生约0.78 V的电压和约7.5 μA的电流， 并且持续发电超过10 d. 在生物蛋白质材料的研究进程中， 明胶和丝绸能在潮湿环境中分别产生0.71和0.12 V的开路电压. 随后， Chu等［30］通过调节乳清蛋白材料表面电荷和亲水性实现了MEG器件的高效输出. 当室内相对湿度为40%时， MEG的最高输出电压为1.45 V. 此外， 该MEG可以在极端温度（?20 ℃或50 ℃）下正常工作， 能够在相对湿度为26%的沙漠中为位置跟踪器供电， 具有高可持续性和高可靠性. ...
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... 生物材料包括天然材料和合成材料［图10（A）］［25］， 通常由大量的羟基、 氨基和羧基等亲水官能团组成［图10（B）］［26］. 生物材料是一种丰富、 可再生的生物质资源， 来源广泛， 如木材、 秸秆和废弃植物等， 具有出色的可降解性和生物相容性， 这些特性使其在湿气发电器件方向具有巨大的潜力［27］. 目前， 众多生物材料已被应用于MEG器件中， 包括生物纳米原纤维、 醋酸纤维素、 棉织物、 天然木材和蛋白质纳米线等［图10（C）~（E）］［26］. 纸作为一种易于制备、 成本低廉、 可生物降解的生物纤维素材料， 其在MEG中得到广泛应用. 在先前研究［28］中， 通过使用不对称电极， 一张纸可以产生约0.25 V和15 nA的电输出， 这证明纤维素在发电领域的巨大潜力. Guo等［29］将一平方厘米大小的器件置于环境湿度中， 因为纤维素纸内带负电荷的通道和持续的水流蒸发过程， 使得器件的电力输出和使用寿命得到明显改善， 能够产生约0.78 V的电压和约7.5 μA的电流， 并且持续发电超过10 d. 在生物蛋白质材料的研究进程中， 明胶和丝绸能在潮湿环境中分别产生0.71和0.12 V的开路电压. 随后， Chu等［30］通过调节乳清蛋白材料表面电荷和亲水性实现了MEG器件的高效输出. 当室内相对湿度为40%时， MEG的最高输出电压为1.45 V. 此外， 该MEG可以在极端温度（?20 ℃或50 ℃）下正常工作， 能够在相对湿度为26%的沙漠中为位置跟踪器供电， 具有高可持续性和高可靠性. ...
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... 生物材料包括天然材料和合成材料［图10（A）］［25］， 通常由大量的羟基、 氨基和羧基等亲水官能团组成［图10（B）］［26］. 生物材料是一种丰富、 可再生的生物质资源， 来源广泛， 如木材、 秸秆和废弃植物等， 具有出色的可降解性和生物相容性， 这些特性使其在湿气发电器件方向具有巨大的潜力［27］. 目前， 众多生物材料已被应用于MEG器件中， 包括生物纳米原纤维、 醋酸纤维素、 棉织物、 天然木材和蛋白质纳米线等［图10（C）~（E）］［26］. 纸作为一种易于制备、 成本低廉、 可生物降解的生物纤维素材料， 其在MEG中得到广泛应用. 在先前研究［28］中， 通过使用不对称电极， 一张纸可以产生约0.25 V和15 nA的电输出， 这证明纤维素在发电领域的巨大潜力. Guo等［29］将一平方厘米大小的器件置于环境湿度中， 因为纤维素纸内带负电荷的通道和持续的水流蒸发过程， 使得器件的电力输出和使用寿命得到明显改善， 能够产生约0.78 V的电压和约7.5 μA的电流， 并且持续发电超过10 d. 在生物蛋白质材料的研究进程中， 明胶和丝绸能在潮湿环境中分别产生0.71和0.12 V的开路电压. 随后， Chu等［30］通过调节乳清蛋白材料表面电荷和亲水性实现了MEG器件的高效输出. 当室内相对湿度为40%时， MEG的最高输出电压为1.45 V. 此外， 该MEG可以在极端温度（?20 ℃或50 ℃）下正常工作， 能够在相对湿度为26%的沙漠中为位置跟踪器供电， 具有高可持续性和高可靠性. ...
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PSSA/R： poly（4-styrensulfonic acid）/rose bengal； IAM： an interface architecture with microgrooves； PMEG： polymer moist-electric generator； WEG： wet electric generator. （A） Copyright 2022， John Wiley and Sons； （B） Copyright 2023， the Royal Society of Chemistry； （C， D） Open Access. ...
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... 含有亲水性官能团的聚合物［图11（A）~（D）］［31~33］呈现出一系列优异的性质， 如良好的机械性能和稳定性、 卓越的电气绝缘性、 强大的耐磨和抗腐蚀能力、 易于加工和成本低廉等. 此外， 一些特定的聚合物还具有柔韧性和可拉伸性， 并进行自我修复， 这些卓越的性能使其也可作为MEG中的活性介质. 在构建水含量梯度的过程中， 典型的离子扩散型MEG面临一个主要难题， 即由于发电层内传质速率过快， 导致材料迅速达到饱和状态， 进而破坏了水含量梯度的稳定性. 相对而言， 聚合物材料凭借其庞大的储水空间以及较低的氧气和水分扩散率， 能够有效地缓解上述问题， 从而在维持水含量梯度方面表现出较好的性能.
PSSA/R： poly（4-styrensulfonic acid）/rose bengal； IAM： an interface architecture with microgrooves； PMEG： polymer moist-electric generator； WEG： wet electric generator. （A） Copyright 2022， John Wiley and Sons； （B） Copyright 2023， the Royal Society of Chemistry； （C， D） Open Access. ...
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