第一作者：朱仁波、刘童瑶

通讯作者：陶肖明教授

通讯单位：香港理工大学智能可穿戴系统研究院、香港理工大学时装及纺织学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202502091

全文速览

湿气发电机通过将环境中的湿气转化为电能，因其可持续性和湿气的普遍存在而备受关注。然而，在可穿戴应用中，必须替换先前报道中使用的脆弱且有毒的材料。本文首次设计了一种绿色湿气发电机，采用丰富且对人体和环境安全的可印刷功能材料，实现了高电流密度。通过协同调控水吸收和离子迁移的可印刷水凝胶织物，该可穿戴湿气发电机在55%相对湿度下实现了1.2 V的开路电压和1.0 mA·cm^-2的短路电流密度，是大多数已报道湿气发电机的7倍以上。得益于稳定水凝胶和稳定的电极/水凝胶界面的设计，器件在长期存储和弯曲测试后，性能无衰减。此外，交叉指状结构的器件实现了规模化集成以提升输出性能。实际应用展示了该印刷织物湿气发电机作为可穿戴设备直流电源的巨大潜力。这项工作为设计安全、环保的能量收集器件提供了新思路。

背景介绍

随着可穿戴电子设备（如健康监测和智能交互系统）的发展，对持续供电的需求日益增长。传统电池容量有限且需频繁充电或更换，而太阳能电池或压电发电机等能量收集技术因依赖特定条件（如光照或运动）无法实现持续供电。湿气发电机通过吸收环境湿气将化学势能转化为电能，因大气中湿气广泛分布，其成为研究热点。湿气发电机通常通过亲水层吸收湿气并沿不对称结构形成水梯度，驱动离子迁移和电荷分离。然而，现有器件的输出（<1 V，几微安）仍不足以驱动多数可穿戴设备。提升亲水层的水吸收和离子导电性是关键，但现有材料（如LiCl或酸）对人体和环境有害。聚丙烯酸钠（PAAS）作为超吸水性聚合物（SAP）无毒且环保，是理想的功能层材料。本研究首次提出基于PAAS/NaCl的绿色湿气发电机，优化湿气吸收和离子导电性，实现了1.2 V的开路电压和1.0 mA·cm^-2的短路电流（55%湿度）。通过印刷交叉指状结构实现规模化集成，解决了实际应用中的关键挑战。

研究出发点

1）为设计绿色安全的湿气发电器，我们采用聚乳酸（PLA）织物作为基底，依次印刷石墨烯底电极、聚丙烯酸钠/氯化钠（PAAS/NaCl）功能层，并贴合铝顶电极。该器件中约96.7 wt.%的材料可生物降解，所有化学物质均对人体安全且环境友好。单器件在6个月存储后仍保持99.17%的峰值电压和99.85%的峰值电流，经10000次弯曲循环后仍保留99.0% V_max和99.2% I_max，展现出作为绿色安全可穿戴电源的实用潜力。

2）通过协同调控PAAS/NaCl水凝胶的水分吸收与离子迁移效应，我们显著提升了发电性能。PAAS作为超吸水性聚合物（SAP），其丰富的亲水基团（–COONa）可吸收达自身质量43倍的水分，而骨架中嵌入的NaCl则通过增加电荷载体强化输出。交叉指状结构设计实现了多单元集成，使输出电压电流呈线性增长（20单元集成达24.0 V和20.8 mA）。该织物湿气发电器最终实现1.2 V开路电压和1.0 mA·cm^-2短路电流密度，性能超同类器件7倍以上，完全满足实际应用需求。

图文解析

以聚乳酸（PLA）织物为基底，印刷石墨烯底电极，热压后涂覆PAAS/NaCl功能层并贴合铝顶电极。PAAS作为骨架吸收水分并促进Na⁺迁移，NaCl提升离子导电性。不对称湿气吸收形成垂直水梯度，驱动Na⁺迁移并因阴离子固定化实现电荷分离。单器件（1 cm²）在55%湿度下可持续输出1.2 V电压和1.0 mA·cm^-2电流（图1c），性能远超同类器件（图1d）。埋入土壤的器件对植物生长无影响，证实其环境友好性。

图1. 绿色湿气发电机的设计及性能

电流输出与湿度和水梯度正相关。PLA织物因低透湿性形成更高水梯度，电流达1.00 mA·cm^-2。功能层厚度为500 µm时输出最佳。PAAS因含—COONa基团，水吸收和离子导电性优于PVA和PAM。NaCl比例40%时电流最高，过量盐分反降低性能。热压石墨烯电极显著降低界面电阻。交叉指状结构集成20个单元后输出达24.0 V和20.8 mA。

图2. 绿色湿气发电机的输出性能

FTIR和KPFM证实水梯度驱动电荷分离。DFT计算显示PAAS/NaCl静电势更高，相互作用更强，Na⁺更易沿聚合物链迁移。

图3. 发电过程的机理解释

器件单元可打印成串并联整列，且整体输出随单元数线性增加，显示了很好的线性。同时，发电机所产生的电能存储在电池等储能器件中。发电机在长时间存放和折叠测试中，性能没有明显变化。

图4. 发电机作为供能器件的性能表现

器件可为LED、电子钟、计算器供电，并驱动无线传感器监测人体温湿度。集成系统可为锂电池充电或驱动风扇降温。

图5. 发电机的应用展示

总结与展望

我们提出了一种基于织物的绿色湿气发电机，通过设计可印刷水凝胶与电极材料，实现了使用和废弃过程均对人体与环境无害的目标。在55%环境湿度下，该湿气发电机可输出1.2 V的高开路电压，短路电流密度达1.0 mA·cm^-2。凭借优异的水分吸收与离子导电性能，其电流输出超多数已报道湿气发电机的7倍以上。此外，可印刷的发电单元能轻松规模化集成（20单元串联输出24.0 V和20.8 mA），且电学性能稳定：在六个月存储与万次弯曲循环后仍无显著衰减。实际应用中，这些发电单元成功驱动了多种商用电子设备（如活动监测、人体降温系统）。本研究为设计安全环保、高性能的实用化湿气发电机提供了新思路。

课题组介绍

陶肖明教授课题组主页：www.polyu.edu.hk/itc/itcproftao

原文信息

R.B. Zhu, T.Y. Liu, A. Balilonda, Y.H. Luo, K.M. Ma, X.M. Tao, Green, Safe, Durable, Printed Fabric Hygroelectric Generators for Wearable Systems. Adv. Mater. 2025, 2502091.