水分吸附-解吸全循环发电机：长期驱动商业电子设备
水作为一种可回收资源，不仅对生命至关重要，而且还是地球上最大的能量载体、调节器和平衡器。无所不在的水文循环涉及在蒸发过程中从液态水转变为气态水（海洋的蒸发）以及在凝结过程中的相反转变（云中的降水），这提供了巨大的能量交换（每年接近60×1015W左右）。这种潜在的能量演变成多种形式，比人类活动的平均电力消耗高出几个数量级，但却很少有被利用。虽然最近已开发出湿气发电技术以满足孤立的离网区域的能源需求，但湿发电机（MEG）往往依赖于单一吸附过程提供电力输出，这反映了其不可持续和非重复发电的瓶颈。一天中高相对湿度（RH）和低相对湿度之间的交替变化以及水文循环是一种常见的自然现象。由于湿发电机的高相对湿度和发电性能之间的严重依赖关系，根据动态环境中的相对湿度变化发电仍然现阶段亟需攻克的巨大挑战。
鉴于此，清华大学化学系、Nano Research Energy（https://www.sciopen.com/journal/2790-8119）创刊主编曲良体教授与清华大学程虎虎研究员和中国科学院力学所刘峰副研究员团队共同提出了一种采用三维（3D）多孔可电离组件和周围封装的水分吸附-解吸发电机（MADG）。MADG不仅在高RH下发挥水分吸附发电，而且在低RH下基于离子扩散赋予水分解吸发电，分别由离子浓度差和离子水合能主导。与单一吸附过程的MEG相比，全循环MADG将吸附和解吸发电集成到一个闭环过程中，因此它可以提供可重复的发电性能，并将多功能的基于水分的能量转化为电能。MADG单元可在100% RH（吸水）下产生~0.5V的高电压和~100μA的电流，并在15±5% 相对湿度（水解吸）下提供电输出（~0.5V和~50 μA）。MADG中的最大输出功率密度接近120mW/m2，实现了内部电阻和最大输出功率密度之间的极好权衡。此外，MADGs可以直接提供足够的电力来长期驱动商业电子设备和电化学过程，并在实际户外根据动态相对湿度进行连续全循环发电。相关工作以“Moisture adsorption-desorption full cycle power generation”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。
发电材料的制备与表征发电装置结构示意图、工作原理及装置照片如图1所示。MADG由金电极、作为发电材料的3D可电离多孔组件和封装层组成，其中上层金电极有孔以允许进入/去除水分。发电薄膜由海藻酸钠（SA）、二氧化硅纳米纤维（SiO2）和还原氧化石墨烯（rGO）组成，称为SAG薄膜。SA起到解离可移动的Na+离子的作用。SiO2纳米纤维有利于构建分级孔隙结构，促进水分子和离子传输以及在水中的机械稳定性。rGO用于组装3D导电骨架和调节电阻。SAG薄膜能够在~100% RH 和40℃的测试条件下提供高达210%的吸水能力（图2）。SAG膜的Na元素完全以可移动的Na+离子的形式存在，吸水率为167%，表明SAG薄膜具有高效的解离能力。受益于相互连接的3D骨架结构和丰富的移动离子，SAG薄膜与纳米结构一起发挥出色的离子传输能力，并提供0.11S·m–1的离子电导率。
