清华大学曲良体课题组Nat. Commun.：订制化能量输出的多级耦合水诱导发电

▲ 第一作者：Puying Li（李溥滢）     

共同通讯作者：Huhu Cheng（程虎虎），Liangti Qu（曲良体）

通讯单位： 清华大学      

论文DOI：10.1038/s41467-023-41371-x   

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（1）提出了一种多级耦合的水诱导发电器件，该器件能够利用内部液体流动和随后产生的湿气进行同步发电，最大输出功率密度可达~92 mW m-2 (~11 W m-3)。

（2）提出一种基于功能层的尺寸控制、功能层间的空间优化、器件集成设计的三层次设计方法，将水流诱导发电层和湿气诱导发电层视为“柔性积木”，用于订制化构建各种特定的多级耦合水诱导发电器件。器件内部不同功能层的电输出多样性和多层级设计实现了订制化的内阻和电能输出，从而可以直接驱动各种类型的商业用电器。

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背景介绍

能源是社会发展不可或缺的要素。化石能源的大规模应用为社会发展提供了保障，但同时也造成了能源危机和全球变暖的持续威胁，因此开发可持续的绿色能源是社会发展面临的最紧迫挑战之一。水资源是重要的能源载体，基于水的动态循环吸收和释放的能量高达6×1016瓦，高出全球年平均用电量3个数量级。如果能够有效收集其中的能量，可以缓解全球能源需求危机。

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本文亮点

（1）工作原理的创新

目前的水诱导发电器件在水资源的一次性使用后，不可避免地会排放出不同形式的水（如液体、水汽），从而导致水循环中固有能量的严重浪费以及水诱导发电器件较低的能量功率密度。本文的多级耦合水诱导发电器件首次通过内部的水分流设计实现液体和湿气两种形态水的利用。器件内部相互协同的水分流设计大大提高了水资源的利用率，为提高水诱导产电器件的能量功率密度提供了新的思路。

（2）发电层结构的创新

此前用于湿气发电的材料的电输出受限于内部离子的迁移，当离子迁移达到平衡后就无法输出电能。本文设计了聚电解质的三层膜结构，通过在两侧膜中预先引入离子浓度梯度，并利用中间层在吸水后的阳离子选择性，增强了材料内部定向迁移的离子通量，从而实现电输出的增强，延长了电输出时间，为湿气发电材料的结构构建提供了新的思路。

（3）应用层面的创新

在现有的水诱导发电器件的应用研究中，往往忽略了与用电器内阻匹配的问题，导致在应用过程中无法达到最大输出功率，从而无法直接向用电器提供电能。本文提出一种基于功能层的尺寸控制、功能层间的空间优化、器件集成设计的三层次设计方法，利用器件内部不同功能层的电输出多样性，实现订制化的内阻和电能输出，从而直接驱动各种类型的商业用电器，为水诱导发电器件走向实际应用奠定了坚实的基础。

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图文解析

（1）多级耦合水诱导发电器件的结构及内部水传输路径

作者构建了不对称CaCl2负载的碳布作为水流诱导发电层，三层聚电解质组成薄膜作为湿气诱导发电层，和聚丙烯腈多孔静电纺丝层作为水分流层。将三个功能层以层层堆叠的方式构建多级耦合水诱导发电器件，实现了内部自发的水分流。

（2）水流诱导发电层的电输出性能

水流诱导发电层可以自发地从环境中吸收水分，并通过不对称湿度环境的构建，在功能层上实现了持续的液体流动，从而实现长时间的电能输出。水流诱导发电层具有良好的柔性、循环稳定性和串并联集成性。同时可以通过调控水流诱导发电层的尺寸和空间形态对电输出性能进行调控。

（3）湿气诱导发电层的电输出性能

三层聚电解质材料以层层堆叠的方式组装成湿气诱导发电层。通过预先引入离子浓度梯度的方法，并利用中间层在吸水后的阳离子选择性，增强了材料内部定向迁移的同号离子通量，从而实现电输出的增强，同时延长了电输出时间。

（4）多级耦合水诱导发电器件的发电性能、定制化设计及应用

提出一种基于功能层的尺寸控制、功能层间的空间优化、器件集成设计的三层次设计方法，将水流诱导发电层和湿气诱导发电层视为“柔性积木”，用于订制化构建各种特定的多级耦合水诱导发电器件。器件内部不同功能层的电输出多样性和多层级设计实现了订制化的内阻和电能输出，从而能够直接驱动各种类型的商业用电器（LED灯、电致变色玻璃）正常工作。各功能层之间相互协同的发电环境大大增强了集成的灵活性，在密堆积的情况下也能维持稳定的电能输出，并具有良好的柔性、环境适应性和循环稳定性。

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总结与展望

综上所述，成功开发了利用内部液体流动和湿气扩散同步发电的多级耦合水诱导发电器件。基于内部功能层电输出环境的相互协同和不同形式内部水的分流输送，器件的最大输出功率密度为~92 mW m-2。功能层的尺寸控制、功能层间的空间优化、器件集成设计的三层级设计策略进一步为器件的定制化输出赋予了高自由度，满足不同用电器的多样化需求。22个串联的订制器件单元可以实现~10.32 V和~280 μA的输出，直接驱动台灯连续工作30分钟以上。器件还具有灵活性和环境适应性，折叠后的器件在自然环境中仍能保持稳定的电能输出。

本文有望在水诱导发电这一新兴前沿领域形成新的认知，对水诱导发电技术走向实际应用产生重要的推动作用。

转自：“研之成理”微信公众号

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