新闻网讯（通讯员 余飞）近期，材料科学高等研究院吕威教授课题组在水伏发电（Hydrovoltaic）领域持续发力，围绕湿气发电机（MEG）、水伏器件等核心方向开展系统性研究，接连在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Journal of Colloid and Interface Science等国际顶级期刊发表成果。
水伏发电是一种新兴的清洁能源技术，通过水与功能性材料的微观相互作用（如水滴运动、蒸发或蒸腾）直接产生电能，具有环保、可持续和低维护成本的优势。近期研究主要致力于提升水伏发电的效率和稳定性。吕威教授课题组针对传统水伏器件离子梯度饱和、低温失效、输出功率低、依赖高湿度等关键瓶颈，通过创新材料设计、结构优化与机理突破，实现了水伏发电性能与应用场景的双重跨越，为新能源技术的实际落地提供重要支撑。
一、全泡沫不对称电极，实现“方向无关”水伏发电
为解决传统电极阻碍水蒸发、器件依赖单向蒸发方向的问题，课题组提出“全泡沫不对称电极”设计，开发出方向无关的HEG（hydrovoltaic electricity generator）。器件以泡沫铁为基底，复合ZIF-67（金属有机框架材料）与碳化三聚氰胺泡沫形成FI/ZIF67@CMF阴极，CNTs修饰碳布为阳极，三聚氰胺泡沫为分隔层，构建全泡沫结构。
该研究成果发表在Nature Communications。
相关链接：https://doi.org/10.1038/S41467-025-64644-z
二、光-湿协同，破解传统MEG性能衰减难题
传统湿气发电器（MEG）在长时间运行中容易出现离子浓度梯度饱和与输出性能衰减，严重限制了器件的稳定性与持续发电能力。针对这一难题，课题组提出了光-湿协同驱动的光子型湿气发电机（P-MEG），构建出兼具光吸收与湿气调控功能的“三层结构”。该器件由CdS/CdSe量子点敏化TiO₂光敏层、电解质水凝胶层与CSH吸湿层组成，可在光照下实现光能与湿气能的协同转化。光生载流子在电极界面上驱动H⁺还原为H₂，从而动态重构两电极间的离子浓度梯度，持续维持高效电势差，实现稳定输出。
该研究成果发表在Advanced Materials。
相关链接：https://doi.org/10.1002/adma.202509043
三、零下35℃稳定发电！激光雕刻技术解锁低温水伏应用
针对水伏器件在低温环境下易结冰、离子迁移受阻的难题，课题组提出“激光雕刻hygroscopic hydrogel阵列”方案，开发出可在零下环境工作的MEG。器件以激光雕刻碳膜为电路框架，改性低温水凝胶为吸湿材料，构建不对称电极，并创新性引入“振荡电路理论”解释吸湿-蒸发-离子迁移对输出电流的影响。
该研究成果发表在ACS Nano。
相关链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14996
四、工作机制从流动电势转向蒸发电势，刷新水伏功率密度纪录
课题组开发了基于Zn–碳布不对称结构 的水伏发电装置，揭示了由“蒸发电势（Evaporating Potential）”主导的能量转换机理。研究表明，水分子在蒸发过程中会扰动碳材料表面电荷分布，产生局部电子密度变化；被激发的电子与界面水分子、氧气发生反应生成OH⁻，在金属电极与碳电极之间形成稳定的离子迁移与电流输出。器件仅依靠水与空气即可持续工作，功率密度高达142.72 μW/cm²，可兼容多种金属电极（Cu、Al、Fe等）。3个单元可驱动计时器，8个单元即可点亮电子表，展现出优异的实用性与环境适应性。
该研究成果发表在Advanced Science。
相关链接：https://doi.org/10.1002/advs.202302941
课题组聚焦“提升水伏器件功率密度”目标，设计出不对称三明治结构器件：以CNTs/CB/PVDF修饰碳布为顶电极，铝片为底电极，多孔滤纸为分隔层。通过等离子体处理增强电极亲水性，结合碳纳米材料的高比表面积与金属电极的高电势差，器件在室温下实现0.71 V开路电压、700 μA/cm²电流密度，峰值功率密度达124.5 μW/cm²（体积功率密度2075 μW/cm³），刷新同类器件纪录。
该研究成果发表在Advanced Functional Materials。
相关链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202312666
五、多功能集成：从热管理到健康监测，拓展水伏应用边界
除性能突破外，课题组还注重水伏器件的“多功能化”开发，团队设计PA/GI/PVA@CC双层水凝胶MEG，单个1 cm²器件输出1.20 V电压、0.45 mA电流，功率密度达85 μW/cm²，且在- 21.9~58.5℃宽温域稳定工作。更特别的是，该器件可直接贴合商用高功率LED表面，通过水蒸发实现热管理，使LED温度降低近22℃，同时利用废热提升自身发电效率，实现“发电-散热”协同。
该研究成果发表在Journal of Colloid and Interface Science。
相关链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.02.094
团队开发“自储水型SWS-MEG”，以PSS/GO/GI/PVA@Fab为质子释放层，锡铋合金液态金属负载石墨纤维为储水电极。器件摆脱对高湿度依赖，在15% RH、25℃下，储水后输出0.55 V电压、7.08 μA电流，功率密度1.14 μW/cm²，且在- 17.3~71.8℃宽温域稳定工作，可集成于口罩监测呼吸、利用汗液发电，实现“自供电健康监测”。
该研究成果发表在Advanced Functional Materials。
相关链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202407204
总结：从基础研究到应用落地，吕威课题组引领水伏技术创新
吕威教授课题组的系列成果，不仅在水伏发电机理（光-湿协同、蒸发电势、离子梯度重构）上实现重要突破，更通过材料创新（光敏量子点、低温水凝胶、ZIF-67、全泡沫电极）与结构设计（激光雕刻、三明治结构、自储水阵列），攻克了传统器件“性能衰减、低温失效、依赖高湿度、功能单一”等瓶颈。团队的研究既为水伏发电领域提供关键理论支撑，也推动该技术向“全天气工作、多功能集成、可穿戴/低温/极端环境应用”方向迈进，为新能源技术从实验室走向实际场景奠定坚实基础。未来，随着器件集成度提升与成本控制，这些创新水伏技术有望在便携式电子设备供电、物联网传感器、极端环境能源补给等领域发挥重要作用，为“绿色低碳”能源转型提供新选择。
近年来，学校一体推进教育发展、科技创新、人才培养改革，优化调整学科布局，加强有组织科研，培育发展新质生产力，科研创新能力显著提升，高水平论文不断涌现。2023年，化学与生命科学学院刘宇教授课题组关于炔烃氢化的研究成果在Nature Communications杂志上发表。今年5月，化学与生命科学学院赵金钵教授课题组在Nature Communications杂志报道了环丙烯化学领域的新进展。下一步，学校党委将深入贯彻落实党的二十届四中全会精神，聚焦高水平科技自立自强，整合科技力量，强化关键核心技术攻关，激发科技创新创造活力，着力打造人才集聚中心和科技创新高峰。
（供稿单位：科学研究处 初审：王哲 复审：张亮亮 终审：王亚坤）
