湿气发电技术如何实现高效、绿色的清洁能源收集？

作者：黄亚鑫

编辑：于亿航 周圣钧 高松龄 李艳文 邱雨浩

审核：赵　鑫 张可人

图片来源：https://doi.org/10.1039/C9NR90285F

导读

绿色能源技术对于社会的发展起着极其重要的作用。传统的发电技术主要基于电磁感应原理，利用化石能源的燃烧获得电能。该过程会产生大量一氧化碳、二氧化硫等有毒气体，造成严重的环境污染；此外，化石燃料作为一次能源，在地球中的储量有限，且不可再生。

湿气发电技术作为一种全新的绿色能源收集技术，利用纳米材料与环境中无所不在的湿气之间的相互作用，直接产生电能。该技术具有低成本、高效、环保、可循环使用等特点，适用范围非常广泛，在物联网、柔性电子器件等领域展现出巨大的应用前景。

主要学术贡献

新型的能量转化与存储技术对于社会的发展起着极其重要的作用。我们生活的环境中存在大量的能量源泉，比如太阳能、风能和水能等，人们已经成功开发了太阳能电池、风力发电机和水力发电机等将这些能量转化为电能，为日常活动提供便利。然而，将自然界中水分扩散过程直接用于产生电能并不多见。

我们的研究贡献在于，利用激光加工技术构建了异质结构的石墨烯材料，引入界面调控的策略实现了高效的电荷分离，建立了一种全新的湿气产电器件，实现了湿气扩散直接转化为电能的过程。单个湿气发电器件可以产生高达1.5 V的电压（目前文献报道的最高值）。该工作为设计高效、高输出的新型能源器件提供了新的思路。

1.前言

近年来，随着纳米技术的兴起，很多新型的能量收集技术被开发出来。这些技术利用周围环境中广泛存在且数量巨大的能量源，进行高效的电能获取。人们已经成功开发了太阳能电池、风力发电机等装置将无处不在的太阳能、风能等转化为可直接使用的电能，为日常活动提供便利。这些新型的能源转化技术不仅绿色环保，不会对环境造成污染，而且可以循环利用，有利于社会的可持续发展。但是，它们必须依赖于特定的气候环境与地理位置，比如太阳能电池在下雨天、黑夜无法工作，而风力发电机一般需要安装在高原、海洋等气流丰富的开阔地带，且相关设备的投入巨大，对于资本以及基础设施要求较高。因此，这些发电技术的适用场景都具有一定的局限性。

地球表面的71%被水覆盖, 水吸收太阳辐射到地球表面能量的70%。全球水循环过程中动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦(1015瓦),比全人类目前年平均能量消耗功率高3个数量级[1]。此外，水在人体中的重量超过70%, 在细胞里的含量可达80%。水作为能量与物质传输的载体，是维系着生命体活动不可缺少的部分。利用价格低廉，资源十分广泛的水来发电是人们一直追求的目标。早在公元前400年左右，我国古代劳动人民就成功开发了水力装置，利用水从高处到低处流动时的重力势能变化来进行机械传动。近代水轮机的发明与应用，也能够实现水能到电能的直接转化，但相关发电设备庞大，造价高昂，且必须安装在水流湍急、水力资源的位置，使用范围受到一定的限制。此外，湿气，即气态的水，在环境中的分布极其广泛，不受地理位置、气候变化等因素的影响，非常容易获取，其蕴含的能量巨大，却很少被有效开发利用。

图1. 自然界中的水循环示意图

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2.湿气发电技术的基本原理

水在自然界中存在气、液、固三种状态。当水发生气态到液态转变时，会释放出巨大的能量。理论上，1克水从气态到液态相变过程可以产生高达2260千焦的能量，与常规的AAA干电池相当。利用水分子与纳米材料的相互作用，将上述过程中水分子从气态到液态相变过程中的能量收集起来，转化为电能的技术，即湿气发电技术[2]。

图2. 湿气发电的能量转化示意图[3]

以光电效应为例，半导体材料受到光照激发时，会诱导材料内部电子-空穴分离，并分别向阴极与阳极两端迁移，在内部形成内建电场，从而产生电能。湿气发电技术的工作原理主要是基于湿电效应[4]。当纳米材料接触湿气时，在溶剂化作用下湿气会诱导纳米材料内部的含氧官能团解离，产生正负电荷，而由于正负电荷尺寸上的差异（正电荷往往为较小的质子）以及空间限域作用，材料内部仅产生正电荷的定向迁移，从而产生电能。

具体过程为：首先通过物理或者化学的方式在材料内部构建梯度结构（如官能团梯度或水含量梯度）；当湿气吸附时，会诱导材料内部的化学官能团解离，产生可自由迁移的阳离子；由于阴离子尺寸较大，且限域在大的共轭结构或者长链上而无法迁移。因此，在材料内会形成阳离子的梯度结构；在离子浓度梯度的作用下，阳离子从高浓度区域向低浓度区域扩散，当外接负载形成回路时，则会在外电路中产生电能输出；当湿气脱附时，阳离子会在阴离子所产生的电场力作用下回到原来的位置，从而完成一个产电循环。

上述产电过程依赖湿气的动态吸脱附以及离子的迁移过程。由于湿气是唯一的外界物质源，因此该产电过程非常绿色环保、没有任何污染的副产物，且高度可逆，是一种高效的绿色能源收集技术。

图 3. 湿气发电的物理过程[2]

3.高效湿气发电材料的发展

作为湿气发电技术的核心，纳米材料的开发与设计起着至关重要的作用。湿气发电材料发展过程中，主要有三个重要的考量因素：内部梯度结构的构建、良好的湿气吸脱附能力以及丰富的化学官能团。构建梯度结构的方法可以大致分为两种：一种是通过物理或者化学的方式在材料内部构建含氧官能团的梯度。常见的方式是利用湿气辅助的电化学极化法[2]，诱导材料在电极两端分别发生氧化、还原反应，从而形成化学官能团的梯度结构。但是这种方法对于材料的均匀度要求较高，经常由于施加电压过高或时间过长导致材料被击穿，进而失效。研究人员随后发展了激光辐照[5]以及定向热还原[6]等技术，利用局部的紫外或者热还原技术，可以实现快速、高效的梯度结构构建，达到与电化学极化法类似的效果。另一种方法是在均质材料内部构建水分子的梯度[7]。通过单向湿气刺激或者借助器件结构设计，让湿气从某一方向定向施加到材料内部，由于材料内部化学官能团所处的化学环境（主要是水含量的区别）发生变化，溶剂化作用会使内部形成相应的非均匀的离子解离，进而得到离子浓度梯度，也可以用于湿气发电。

由于湿气是诱导材料内部离子解离的关键因素，因此材料对于湿气刺激的响应能力在湿气发电过程中起着非常重要的作用。一方面，快速的湿气吸脱附特性可以保证湿气产电过程的高度可逆。氧化石墨烯作为一种石墨烯的氧化物，是一种典型的二维材料，比表面积巨大，且含氧官能团丰富，对于湿气具有非常快速的响应能力。研究人员开发了基于氧化石墨烯的一系列湿气发电材料，包括一维纤维、二维薄膜以及三维泡沫等多种组装体，此外，对材料基础单元进一步纳米化调控，可以得到氧化石墨烯纳米带、量子点等结构[8]。另一方面，就性能而言，超吸湿性可以保证材料内部吸收足够多的水分子，从而可以解离出更多的可迁移阳离子，有利于输出性能的提升。研究人员利用吸湿性高分子材料[9]作为功能层，可以显著提高湿气发电器件的输出性能，得到数量级的提升。此外，利用材料复合的策略，将氧化石墨烯和吸湿性高分子复合，也可以实现类似的效果，且材料的适用范围可以得到进一步的拓展，实现全天候、全地域的湿气产电[10]。

化学官能团的调控对于湿气发电性能的提升同样有着显著的影响。一方面，湿气与不同化学官能团的相互作用具有显著的差别，具体体现在湿气吸附能力上的差异；另一方面，在湿气作用下，化学官能团的解离作用也各不相同，如磺酸基团与湿气结合作用更强。同时在湿气作用下也更加容易解离，意味着可以产生更多的阳离子，从而表现出优异的输出特性。通过化学修饰的方式可以在不同的基底材料上嫁接官能团，也可以实现对材料官能团的设计与调控，但受限于化学合成策略，官能团的密度往往无法很高。除了以氧化石墨烯为代表的碳材料外，二氧化钛、聚吡咯、聚多巴胺、木质素、细菌蛋白等生物材料等同样具有丰富的含氧官能团，也可以在湿气的刺激下产生电能，表面湿气产电这一现象具有一定的普适性[4]。

4.湿气发电技术的应用

作为一种新型的绿色能源技术，湿气发电不仅可以实现高效的电能转化，同时产生的电能也非常可观。经过短短几年的发展，湿气发电技术已经取得了非常大的进步，单个湿气发电器件的输出电压已经从几十毫伏到超过1伏，能够给常见的小型电子器件供电。例如，通过器件集成的方式，可以有效将湿气发电器件产生的电能存储在电容器上，成功驱动LED灯泡、手表、小型马达等电子器件的工作[5]。

图4. 湿气发电器件驱动LED灯泡等电子器件工作[5]

湿气发电器件本身对于外界湿气的刺激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。日常生活中，人体呼吸过程会产生大量的湿气，且呼吸的频率与人体的运动状态密切相关。基于此，利用湿气发电器件可以实现对人体呼吸的传感，进而感知人体的心脏跳动等生理信号，实现对人体健康的检测[2]。另外，人体活动中会通过皮肤进行排汗，从而与外界进行换热，以维持温度的平衡。利用湿气发电器件对于湿气的快速响应的特性，可以感知人手指部分湿气的变化，进而进行人体动作的识别与追踪，实现无接触式的湿度传感[11]。

此外，湿气发电器件也可以制成织物或者集成到口罩、衣服等纺织品上，或者加工成柔性的能源包，应用到可穿戴电子器件领域。湿气发电技术其中一个有待探索的应用领域是物联网。物联网是由大量分布式的微小传感器组成，如何为这些微小型器件供电是一大挑战。传统的电池或者电容器物理尺寸上很难做小，同时二次充电也是一大难题。而湿气发电器件可以直接从周围环境中吸收湿气，并转化为电能，具有绿色可循环的特点。同时还可以重复使用，借助激光加工等成熟的工业化手段可以实现微小型湿气发电器件的加工与制备，有望在物联网领域展现出巨大的应用前景。

图5. 柔性湿气发电器件织物[4]

5.湿气发电技术的挑战

湿气发电技术最早在2015年由曲良体教授课题组[2]提出。经过短短几年的发展，湿气发电器件的性能已经得到了数十倍的提高，单个器件的输出电压已经与单节干电池相当；湿气发电材料也得到了有效的发展，碳材料、无机材料、高分子材料、生物材料等新型湿气发电材料不断涌现；基于湿气发电技术的应用不断兴起，在能源供给、传感、可穿戴电子等领域展现出巨大的应用前景。但作为一种新型的绿色能源技术，湿气发电技术在真正走向应用之前仍然存在诸多挑战。首先，单个湿气发电器件的输出电流还太低（微安量级），输出功率（微瓦）难以满足中小型电子器件的需求；其次，目前的研究还主要聚焦在单个器件上，由于缺乏有效的器件加工与制备技术，导致湿气发电器件大规模集成依然受限；此外，湿气发电材料的机械特性与器件性能的稳定性也是一大挑战。从湿气发电的机理、湿气与材料的相互作用，到设计高性能湿气发电材料，以及湿气发电技术的大规模应用等都面临诸多问题，这需要广大物理、化学、材料以及机械等众多领域科研工作者的积极参与，不断推动湿气发电技术的发展与应用。

参考文献

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[10] Y. Huang, H. Cheng, C. Yang, H. Yao, C. Li and L. Qu. All-region-applicable, continuous power supply of graphene oxide composite. Energy & Environmental Science. 2019, 12: 1848-1856.

[11] H. H. Cheng, Y. X. Huang, L. T. Qu, Q. L. Cheng, G. Q. Shi and L. Jiang. Flexible in-plane graphene oxide moisture-electric converter for touchless interactive panel. Nano Energy. 2018, 45: 37-43.

作者简介：黄亚鑫，2020年清华大学研究生特等奖学金候选人，机械工程系2016级博士生，师从曲良体教授，研究方向为新型纳米能源技术。本文将介绍他的湿气发电研究成果，节选自清华大学曲良体教授团队在Nature Communications期刊中发表的研究论文。