第一作者：李溥滢

通讯作者：曲良体教授

通讯单位：清华大学化学系

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202504865

全文速览

化石燃料广泛使用引发的能源危机突显了对绿色能源解决方案的迫切需求。近年来，出现了多种基于界面离子调控的绿色发电器件。然而，这些发电方式仅依赖于界面处的离子运动，由于界面处的离子-电子转换效果不佳，在放电过程中电信号会迅速衰减。受基于膜电位变化以及葡萄糖氧化/还原反应的生物电现象的启发，本研究提出了一种氧化还原振荡增强水诱导发电器件。振荡氧化还原反应不仅促进了界面处的离子-电子转换，还实现了非法拉第电流与法拉第电流之间的协同作用。因此，该发电器件实现了令人瞩目的峰值电力输出，达到了1.20 mA cm^-2，功率密度为0.41 W m^-2。在合适的开关触发下，该器件累积输出电荷达17.5 C，且能实现60天稳定输出。该发电器件能够进一步做成柔性单元，适用于便携式及大规模应用场景。这项工作提出了一种基于界面离子迁移的绿色能源器件功率密度提升的新研究方法。

背景介绍

随着化石燃料的大规模消耗，能源安全问题日益严峻。在此背景下，开发可持续的绿色能源技术，已成为推动社会可持续发展的关键任务。近年来，基于界面离子运动调控的绿色发电技术和人工智能系统取得一定进展。但目前该技术存在明显局限：由于界面电荷平衡主要依赖离子吸附、解吸过程，离子-电子转换效率较低，放电时易极化严重，致使电信号快速衰减，严重制约了相关发电器件的性能提升与实际应用。

研究出发点

1）受基于膜电位变化以及葡萄糖氧化/还原反应的生物电现象的启发，本研究提出了一种氧化还原振荡增强水诱导发电器件。

2）振荡氧化还原反应不仅促进了界面处的离子-电子转换，还实现了非法拉第电流与法拉第电流之间的协同作用。

3）在理论计算和实验验证下，给出了两种非法拉第电流与法拉第电流之间的协同方式。

图文解析

在固液接触时，固体表面因官能团电离或吸附作用，会呈现出带负电或正电的特性。这使得两种表面性质不同的材料浸入水中后，彼此之间会产生电位差。不过，在此情况下，界面电荷平衡仅由离子吸附与解吸主导，这种非法拉第过程往往存在界面离子-电子转换效率低的问题，导致放电时极化现象严重。为此，本研究在固液界面引入氧化还原电对，在特定的电势分布设计下，氧化还原电对能够如同“电子海绵”，在界面实现双向电子转移，进而有效提升电输出性能。

图1 氧化还原振荡增强水诱导发电器件的设计示意图

采用氧化还原振荡增强策略后，发电器件的输出电流、负载电压、功率密度及输出能量均显著提升。相较于多数水诱导发电设备，其峰值电流优势明显；此外，设备的最佳输出电阻与商用电器适配性更佳，更便于实际应用。

图2 氧化还原振荡增强水诱导发电器件的电输出性能

在机理研究方面，借助zeta电位、等酸点以及微分电容曲线等实验手段，证实了水诱导发电的过程。同时，通过对比电势变化和输出电荷量，深入研究了添加氧化还原电对后，电极与氧化还原电对之间的相间电子转移过程。

图3 不对称带电电极和振荡氧化还原反应

器件内非法拉第电流与法拉第电流呈现协同效应，并非简单的相互转化关系。其潜在协同作用路径如下：其一，氧化还原电对与电极间的电子转移发生于电极表面，促使溶液一侧产生不受电极电势变化直接驱动的净离子迁移，进而在外部电路中额外激发非法拉第电流，该机制已通过原位拉曼光谱等实验手段得到验证；其二，氧化还原电对与电极的电子转移过程，能够加速放电后电极带电状态的恢复，此路径经理论计算结合同位素标记等实验方法得以证实。

图4 非法拉第电流和法拉第电流的协同作用

最后，系统考察了电极厚度、电解质浓度及温度等关键参数对电输出性能的影响。基于优秀的器件性能，将器件成功制备为柔性发电单元，适用于便携式设备，通过实际应用测试，验证了该发电技术的实用性与应用潜力。

图5 氧化还原振荡增强水诱导发电器件的优化和应用

总结与展望

本研究提出一种氧化还原振荡策略，可有效提升水诱导发电的功率密度。在该策略中，振荡氧化还原反应发挥双重作用：一方面强化界面离子与电子的转化效率，显著抑制电信号衰减；另一方面推动非法拉第电流与法拉第电流协同作用，大幅提升累计放电能力。该策略有望为基于界面离子迁移的绿色能源器件开发提供新思路，为提升其发电性能开辟新路径。

原文信息

P. Li, J. Lin, F. Liu, G. Lai, Y. Hu, T. Guang, H. Wang, H. Cheng, L. Qu, Redox Oscillation Enhanced Water-Enabled Electric Generator. Adv. Mater. 2025, 2504865. https://doi.org/10.1002/adma.202504865