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  近日，香港理工大學智能可穿戴系統研究院陶肖明教授團隊開發了一種凝膠型的濕氣發電機 (moisture-electric generator, MEG)，能夠高效收集空氣中的水汽直接轉換成電能，實現了高效的電流密度和能量產出。這種新型的離子凝膠濕氣發電機不僅可以穩定發電超過1000小時，還能大規模的集成獲得210V和7mA的電能輸出，并成功的為商用微電子設備供電。這種凝膠濕氣發電機制備工藝簡單，價格便宜，可實現柔性集成，在物聯網和自供電的可穿戴電子系統等領域具有巨大的應用前景。相關工作以“Ionic Hydrogel for Efficient and Scalable Moisture-Electric Generation”為題線上發表在最新一期的《Advanced Materials》。第一作者是博士生畢業生楊素。

圖1. (a) 濕氣發電裝置. (b) 非對稱結構發電。(3) 單個IHMEG 電壓輸出。

  在全球資源短缺和碳中和的高度需求下，尋找簡單高效的綠色能源轉換技術，實現能源和社會的可持續發展具有重大意義。MEG利用大氣環境濕氣中的能量直接產生電能，使用安全的材料、沒有污染物的產生和有害氣體的排放，是能源領域的一個新興的研究熱點。然而目前大多數的MEG輸出間歇性的電信號和低電流阻礙了實際應用。另外，實現大規模集成和應用也是目前研究的瓶頸。

  本工作采用離子凝膠作為發電材料，利用凝膠高吸水和快速離子傳輸的特性，構筑一種高效而穩定的直流濕氣發電機(IHMEG)。IHMEG能夠自發吸收環境中的水汽形成非對稱的濕度梯度，引發質子從高分子網絡中解離并定向擴散，在水凝膠網絡中形成離子濃度差從而對外輸出電能。單個濕氣發電機在開放的室內環境中可以穩定輸出0.8V電壓超過1000小時(圖1)。

圖2. 集成的IHMEG器件電壓和電流輸出以及電容充電曲線。

圖3. 集成的IHMEG設備作為直流電源的應用。

  根據不同的應用場景，IHMEG單元可以根據需要任意串聯、并聯或組合，無需任何額外的整流電路和電容器，即可直接驅動多種商用微電子產品。比如計算器，電子墨水屏，手表，LED燈陣列，也可以應用于工業化的電鍍供電(圖3)。本工作研發的IHMEG可以在 10 - 85 %相對濕度， 零下24 – 零上60攝氏度范圍工作，具有高性價比、易于規模化制造和高功率輸出的特點，并可直接應用于各種商業微電子設備，為開發綠色、多用途和高效的物聯網和可穿戴電子系統的電源開辟了全新的前景。

  陶肖明研究團隊充分利用水凝膠網絡的高吸水和和快速離子傳輸的特性，制備高效穩定可集成的凝膠型濕氣發電機，可用于便攜式、可穿戴電子系統和物聯網的廣泛應用中。在濕氣發電材料和應用方面具有重大突破意義。團隊目前正在更高效材料、發電原理模型、規模工程集成技術等方面繼續相關工作。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200693