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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.13 Human body temperature sensing(A)[40], respiratory monitoring(B)[41], driving a small speedboat(C)[42], humidity detector and headphone charging(D)[43], motion sensing(E)[43] and use of smart home in the house(F)[42]
（A， B） Open Access； （C， F） Copyright 2022， John Wiley and Sons； （D， E） Copyright 2024， John Wiley and Sons.
正文中引用本图/表的段落
作为一种新型的能源转换方式， MEG技术不仅可以实现高效的电能转化， 而且产生的电能也非常可观. 近年来， 研究者通过优化材料和结构设计， 已将单个发电机器件单元电压由最初的几十微伏增加至伏特级， 电流密度由于几十纳安提升至几百微安并作为电源［24］， 通过有效的集成， MEG能够为近距离传感、 湿度检测、 触觉感应、 电子皮肤、 呼吸监测、 环境监测、 汗液监测、 信息存储以及电子显示等领域的设备供电［图13（A）~（F）］［40~44］. 如Qu等［45］开发了一种异质膜MEG， 通过集成器件成功输出上千伏电压. Tao等［46］开发了一种基于超高分子水凝胶的MEG， 其不仅产生高达0.11 mW/cm2的功率密度， 而且通过集成获得了65 mA的电能输出. 我们团队［24］开发了一种基于CPDs的MEG， 通过集成获得了210 V和40 mA的电能输出， 并成功为商用微电子设备供电.
（A， B） Open Access； （C， F） Copyright 2022， John Wiley and Sons； （D， E） Copyright 2024， John Wiley and Sons. ...
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... 作为一种新型的能源转换方式， MEG技术不仅可以实现高效的电能转化， 而且产生的电能也非常可观. 近年来， 研究者通过优化材料和结构设计， 已将单个发电机器件单元电压由最初的几十微伏增加至伏特级， 电流密度由于几十纳安提升至几百微安并作为电源［24］， 通过有效的集成， MEG能够为近距离传感、 湿度检测、 触觉感应、 电子皮肤、 呼吸监测、 环境监测、 汗液监测、 信息存储以及电子显示等领域的设备供电［图13（A）~（F）］［40~44］. 如Qu等［45］开发了一种异质膜MEG， 通过集成器件成功输出上千伏电压. Tao等［46］开发了一种基于超高分子水凝胶的MEG， 其不仅产生高达0.11 mW/cm2的功率密度， 而且通过集成获得了65 mA的电能输出. 我们团队［24］开发了一种基于CPDs的MEG， 通过集成获得了210 V和40 mA的电能输出， 并成功为商用微电子设备供电.
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... 作为一种新型的能源转换方式， MEG技术不仅可以实现高效的电能转化， 而且产生的电能也非常可观. 近年来， 研究者通过优化材料和结构设计， 已将单个发电机器件单元电压由最初的几十微伏增加至伏特级， 电流密度由于几十纳安提升至几百微安并作为电源［24］， 通过有效的集成， MEG能够为近距离传感、 湿度检测、 触觉感应、 电子皮肤、 呼吸监测、 环境监测、 汗液监测、 信息存储以及电子显示等领域的设备供电［图13（A）~（F）］［40~44］. 如Qu等［45］开发了一种异质膜MEG， 通过集成器件成功输出上千伏电压. Tao等［46］开发了一种基于超高分子水凝胶的MEG， 其不仅产生高达0.11 mW/cm2的功率密度， 而且通过集成获得了65 mA的电能输出. 我们团队［24］开发了一种基于CPDs的MEG， 通过集成获得了210 V和40 mA的电能输出， 并成功为商用微电子设备供电.
（A， B） Open Access； （C， F） Copyright 2022， John Wiley and Sons； （D， E） Copyright 2024， John Wiley and Sons. ...
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... 作为一种新型的能源转换方式， MEG技术不仅可以实现高效的电能转化， 而且产生的电能也非常可观. 近年来， 研究者通过优化材料和结构设计， 已将单个发电机器件单元电压由最初的几十微伏增加至伏特级， 电流密度由于几十纳安提升至几百微安并作为电源［24］， 通过有效的集成， MEG能够为近距离传感、 湿度检测、 触觉感应、 电子皮肤、 呼吸监测、 环境监测、 汗液监测、 信息存储以及电子显示等领域的设备供电［图13（A）~（F）］［40~44］. 如Qu等［45］开发了一种异质膜MEG， 通过集成器件成功输出上千伏电压. Tao等［46］开发了一种基于超高分子水凝胶的MEG， 其不仅产生高达0.11 mW/cm2的功率密度， 而且通过集成获得了65 mA的电能输出. 我们团队［24］开发了一种基于CPDs的MEG， 通过集成获得了210 V和40 mA的电能输出， 并成功为商用微电子设备供电.
（A， B） Open Access； （C， F） Copyright 2022， John Wiley and Sons； （D， E） Copyright 2024， John Wiley and Sons. ...
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... 作为一种新型的能源转换方式， MEG技术不仅可以实现高效的电能转化， 而且产生的电能也非常可观. 近年来， 研究者通过优化材料和结构设计， 已将单个发电机器件单元电压由最初的几十微伏增加至伏特级， 电流密度由于几十纳安提升至几百微安并作为电源［24］， 通过有效的集成， MEG能够为近距离传感、 湿度检测、 触觉感应、 电子皮肤、 呼吸监测、 环境监测、 汗液监测、 信息存储以及电子显示等领域的设备供电［图13（A）~（F）］［40~44］. 如Qu等［45］开发了一种异质膜MEG， 通过集成器件成功输出上千伏电压. Tao等［46］开发了一种基于超高分子水凝胶的MEG， 其不仅产生高达0.11 mW/cm2的功率密度， 而且通过集成获得了65 mA的电能输出. 我们团队［24］开发了一种基于CPDs的MEG， 通过集成获得了210 V和40 mA的电能输出， 并成功为商用微电子设备供电. ...
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... 作为一种新型的能源转换方式， MEG技术不仅可以实现高效的电能转化， 而且产生的电能也非常可观. 近年来， 研究者通过优化材料和结构设计， 已将单个发电机器件单元电压由最初的几十微伏增加至伏特级， 电流密度由于几十纳安提升至几百微安并作为电源［24］， 通过有效的集成， MEG能够为近距离传感、 湿度检测、 触觉感应、 电子皮肤、 呼吸监测、 环境监测、 汗液监测、 信息存储以及电子显示等领域的设备供电［图13（A）~（F）］［40~44］. 如Qu等［45］开发了一种异质膜MEG， 通过集成器件成功输出上千伏电压. Tao等［46］开发了一种基于超高分子水凝胶的MEG， 其不仅产生高达0.11 mW/cm2的功率密度， 而且通过集成获得了65 mA的电能输出. 我们团队［24］开发了一种基于CPDs的MEG， 通过集成获得了210 V和40 mA的电能输出， 并成功为商用微电子设备供电. ...
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... 作为一种新型的能源转换方式， MEG技术不仅可以实现高效的电能转化， 而且产生的电能也非常可观. 近年来， 研究者通过优化材料和结构设计， 已将单个发电机器件单元电压由最初的几十微伏增加至伏特级， 电流密度由于几十纳安提升至几百微安并作为电源［24］， 通过有效的集成， MEG能够为近距离传感、 湿度检测、 触觉感应、 电子皮肤、 呼吸监测、 环境监测、 汗液监测、 信息存储以及电子显示等领域的设备供电［图13（A）~（F）］［40~44］. 如Qu等［45］开发了一种异质膜MEG， 通过集成器件成功输出上千伏电压. Tao等［46］开发了一种基于超高分子水凝胶的MEG， 其不仅产生高达0.11 mW/cm2的功率密度， 而且通过集成获得了65 mA的电能输出. 我们团队［24］开发了一种基于CPDs的MEG， 通过集成获得了210 V和40 mA的电能输出， 并成功为商用微电子设备供电. ...
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... 除了作为电源以外， 由于湿气发电器件本身对于外界湿气具有非常灵敏的反应， 在传感领域也展现出巨大的应用潜力. 作为传感器［47］， 发电器件本身可以充当传感单元. 如， 它可用作呼吸传感器［48］、 触摸传感器［10］或人体运动传感器［49］. 作为呼吸分析仪时， 湿气引起的电流和电压变化可以帮助监测者区分正常呼吸与急促呼吸. 如Shen等［38］开发了一种基于二氧化钛（TiO2）纳米线网络的水分驱动发电机. 该器件可以在距离人体鼻腔0.8 cm的位置产生振幅为20 mV的电压脉冲， 以响应人类呼吸中的水分. MEG也可以集成到触摸传感器中， Qu等［50］开发了一种具有柔性双网络结构和可逆交联相互作用的可拉伸功能性离子凝胶， 通过串联或并联MEG单元， 开发了一种“湿气驱动腕带”的集成装置， 佩戴在人的手腕上可以驱动一个用于跟踪手指运动的柔性传感器. ...
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... 除了作为电源以外， 由于湿气发电器件本身对于外界湿气具有非常灵敏的反应， 在传感领域也展现出巨大的应用潜力. 作为传感器［47］， 发电器件本身可以充当传感单元. 如， 它可用作呼吸传感器［48］、 触摸传感器［10］或人体运动传感器［49］. 作为呼吸分析仪时， 湿气引起的电流和电压变化可以帮助监测者区分正常呼吸与急促呼吸. 如Shen等［38］开发了一种基于二氧化钛（TiO2）纳米线网络的水分驱动发电机. 该器件可以在距离人体鼻腔0.8 cm的位置产生振幅为20 mV的电压脉冲， 以响应人类呼吸中的水分. MEG也可以集成到触摸传感器中， Qu等［50］开发了一种具有柔性双网络结构和可逆交联相互作用的可拉伸功能性离子凝胶， 通过串联或并联MEG单元， 开发了一种“湿气驱动腕带”的集成装置， 佩戴在人的手腕上可以驱动一个用于跟踪手指运动的柔性传感器. ...
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... 除了作为电源以外， 由于湿气发电器件本身对于外界湿气具有非常灵敏的反应， 在传感领域也展现出巨大的应用潜力. 作为传感器［47］， 发电器件本身可以充当传感单元. 如， 它可用作呼吸传感器［48］、 触摸传感器［10］或人体运动传感器［49］. 作为呼吸分析仪时， 湿气引起的电流和电压变化可以帮助监测者区分正常呼吸与急促呼吸. 如Shen等［38］开发了一种基于二氧化钛（TiO2）纳米线网络的水分驱动发电机. 该器件可以在距离人体鼻腔0.8 cm的位置产生振幅为20 mV的电压脉冲， 以响应人类呼吸中的水分. MEG也可以集成到触摸传感器中， Qu等［50］开发了一种具有柔性双网络结构和可逆交联相互作用的可拉伸功能性离子凝胶， 通过串联或并联MEG单元， 开发了一种“湿气驱动腕带”的集成装置， 佩戴在人的手腕上可以驱动一个用于跟踪手指运动的柔性传感器. ...
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... 除了作为电源以外， 由于湿气发电器件本身对于外界湿气具有非常灵敏的反应， 在传感领域也展现出巨大的应用潜力. 作为传感器［47］， 发电器件本身可以充当传感单元. 如， 它可用作呼吸传感器［48］、 触摸传感器［10］或人体运动传感器［49］. 作为呼吸分析仪时， 湿气引起的电流和电压变化可以帮助监测者区分正常呼吸与急促呼吸. 如Shen等［38］开发了一种基于二氧化钛（TiO2）纳米线网络的水分驱动发电机. 该器件可以在距离人体鼻腔0.8 cm的位置产生振幅为20 mV的电压脉冲， 以响应人类呼吸中的水分. MEG也可以集成到触摸传感器中， Qu等［50］开发了一种具有柔性双网络结构和可逆交联相互作用的可拉伸功能性离子凝胶， 通过串联或并联MEG单元， 开发了一种“湿气驱动腕带”的集成装置， 佩戴在人的手腕上可以驱动一个用于跟踪手指运动的柔性传感器. ...

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