兩院院士領(lǐng)銜！頂刊Chemical Reviews綜述：水伏發(fā)電機

水伏發(fā)電機（ Hydrovoltaic Electricity Generators, HEGs）是一類能夠利用水與材料界面相互作用，將環(huán)境中廣泛存在的水能轉(zhuǎn)化為電能的新型綠色能源器件。無論是空氣中的濕氣、液態(tài)水的滲流，還是蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的界面變化，都可以成為驅(qū)動電能輸出的重要來源。由于水資源豐富、來源廣泛，HEGs 在分布式供能、環(huán)境監(jiān)測、可穿戴電子和自供能器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。HEG 研究在早期更多依賴于材料的經(jīng)驗性篩選，而隨著研究不斷深入，人們逐漸認識到，其性能提升不僅取決于材料本身，更與界面化學(xué)特性和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)。一方面，材料表面的化學(xué)性質(zhì)決定了水分子和離子在界面的行為方式；另一方面，器件的孔道結(jié)構(gòu)、層級構(gòu)型以及整體布局，又會進一步影響水的傳輸、分布和能量轉(zhuǎn)換效率。換言之，HEG 的工作性能本質(zhì)上是“材料化學(xué)”與“結(jié)構(gòu)工程”共同作用的結(jié)果。基于這一認識，本綜述從化學(xué)與結(jié)構(gòu)協(xié)同調(diào)控的角度，對HEG領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)、代表性體系及其基本工作規(guī)律進行了系統(tǒng)梳理。文章重點討論了不同類型器件在界面作用、結(jié)構(gòu)構(gòu)筑和性能優(yōu)化方面的共性與差異，概括了影響輸出能力、穩(wěn)定性和功能拓展的關(guān)鍵因素，并進一步總結(jié)了面向高性能、長壽命和多功能HEG器件的設(shè)計思路。

圖1. HEGs的發(fā)展。（a）利用 VOSviewer 軟件生成的聚類圖譜對研究熱點進行分析；節(jié)點的大小和顏色分別對應(yīng)發(fā)文量和發(fā)表年份。（b）與 HEGs 相關(guān)理論的發(fā)展歷程。（c）具有代表性的 HEGs 及其結(jié)構(gòu)。

HEGs 主要包括兩類與水相關(guān)的發(fā)電模式，即濕氣誘導(dǎo)發(fā)電器（MEGs）和蒸發(fā)誘導(dǎo)發(fā)電器（EEGs）。自 2015 年和 2017 年兩項代表性研究明確這兩種工作模式以來，HEG 領(lǐng)域發(fā)展迅速，相關(guān)研究持續(xù)增加。早期研究主要集中于碳基材料、層狀雙氫氧化物、硅基材料和 MXenes 等無機體系，而近年來，聚電解質(zhì)、離子水凝膠及其復(fù)合材料逐漸成為研究熱點，反映出聚合物和生物基材料在柔性、濕度響應(yīng)性和機械穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢日益受到重視。在器件設(shè)計方面，非對稱結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)等新型構(gòu)型不斷出現(xiàn)，說明 HEG 器件正朝著多樣化和精細化方向發(fā)展。同時，吸濕、離子梯度、離子解離、電荷分離、電雙層和氧化還原反應(yīng)等關(guān)鍵詞的持續(xù)出現(xiàn)，也表明界面化學(xué)與離子傳輸機制始終是這一領(lǐng)域的核心問題。

圖2. HEGs 的綜合概述。

本綜述圍繞 HEGs 構(gòu)建了化學(xué)構(gòu)筑單元—發(fā)電路徑—器件結(jié)構(gòu)—應(yīng)用場景這一清晰的邏輯（圖2）。文章重點聚焦兩類以濕氣誘導(dǎo)和蒸發(fā)誘導(dǎo)過程為主要發(fā)電路徑的 HEGs，突出分析化學(xué)原理與器件結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同作用。在化學(xué)層面，本文重點從六個關(guān)鍵維度展開討論，包括受限界面水、官能團電離、離子—表面相互作用、電雙層與流動電勢、氧化還原貢獻以及環(huán)境調(diào)控參數(shù)。這些核心因素共同決定了 HEGs 中離子遷移、電荷分離和能量轉(zhuǎn)換的基本行為與作用機制。在器件結(jié)構(gòu)層面，本綜述進一步對纖維、薄膜、多孔網(wǎng)絡(luò)和多層結(jié)構(gòu)等典型器件形式進行了歸納與分析，重點評估不同結(jié)構(gòu)如何承載、調(diào)控并強化上述化學(xué)機制。通過將化學(xué)機制與結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個維度有機貫通，本綜述不僅闡明了 HEGs 的機理基礎(chǔ)，也為面向多功能應(yīng)用的高性能、高穩(wěn)定性和可持續(xù)器件設(shè)計提供了系統(tǒng)性的思路與指導(dǎo)。

圖3. HEGs 中的化學(xué)原理。（a）水分子的基本性質(zhì)。（b–d）體相及不同限域環(huán)境下水分子的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。（e, f）典型官能團及其電離/水解過程形成帶電孔壁的示意圖。（g）水凝膠中水分子的三種典型結(jié)合狀態(tài)。（h, i）不同濕度條件下水合程度的差異。（j）離子溶劑化示意圖。（k）采用鋅金屬電極的 HEGs 中的氧化還原反應(yīng)與離子擴散。（l）不同活性材料的氧化還原電位。

HEGs 的工作本質(zhì)上由界面化學(xué)所主導(dǎo)。受限水結(jié)構(gòu)、表面官能團的解離、離子與表面的配位作用以及電雙層的形成，共同決定了體系中的電荷傳輸過程。同時，寄生的氧化還原反應(yīng)或贗電容效應(yīng)可能干擾甚至掩蓋材料本征的水伏發(fā)電貢獻，而 pH、離子強度和溶劑組成等環(huán)境因素也會持續(xù)影響界面平衡與能量轉(zhuǎn)換行為。因此,作者系統(tǒng)討論了受限界面水、官能團電離、離子—表面相互作用、電雙層與流動電勢、氧化還原干擾以及 pH、離子強度和溶劑化環(huán)境等關(guān)鍵因素，旨在揭示 HEGs 中電荷分離與離子遷移的化學(xué)基礎(chǔ)，并為后續(xù)器件設(shè)計和性能優(yōu)化提供機理依據(jù)。

圖4. 不同器件結(jié)構(gòu)的示意圖；本綜述主要圍繞三個方面展開：活性材料、制備策略和關(guān)鍵可調(diào)參數(shù)。

除了材料組成和發(fā)電機理之外，HEGs 的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣是決定器件性能的關(guān)鍵因素。器件結(jié)構(gòu)不僅影響離子傳輸路徑和界面作用方式，也直接關(guān)系到最終的輸出能力與應(yīng)用表現(xiàn)。隨著研究的不斷深入，HEGs 已逐步形成幾類較為典型的結(jié)構(gòu)形式，主要包括柔性好、易集成的纖維型結(jié)構(gòu)，厚度可控、便于規(guī)模化制備的薄膜型結(jié)構(gòu)，具有豐富水接觸界面的多孔網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，以及通過強化梯度效應(yīng)來提升輸出性能的多層結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)各具特點，也在離子傳導(dǎo)、機械穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性和制備工藝等方面體現(xiàn)出不同的優(yōu)勢與權(quán)衡。本綜述圍繞這些典型結(jié)構(gòu)的代表性研究進展展開綜述，重點討論活性材料選擇、制備方法以及可調(diào)控的化學(xué)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如何協(xié)同作用，進而形成高性能器件的設(shè)計思路。

圖5. HEGs 的代表性應(yīng)用。HEGs 可應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括為便攜式電子設(shè)備供電，醫(yī)療健康監(jiān)測（如呼吸、運動、汗液離子和傷口愈合監(jiān)測），智慧農(nóng)業(yè)（如灌溉、作物生長和水產(chǎn)包裝），環(huán)境監(jiān)測（如濕度、溫度和水位監(jiān)測），以及低功耗摩爾斯電碼通信等信號傳輸場景。

隨著研究不斷深入，HEGs 已展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。作者指出，這類器件目前最常見的應(yīng)用是作為微型電源，為計算器、LED 燈、手機等電子設(shè)備供電或輔助充電，體現(xiàn)出其在可持續(xù)便攜能源方面的應(yīng)用價值。此外，HEGs 還可用于呼吸監(jiān)測、運動追蹤、汗液離子檢測和傷口輔助愈合等醫(yī)療健康場景，在可穿戴自供能器件中具有良好潛力；在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可拓展至智能灌溉和智能水產(chǎn)包裝；在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，則可用于濕度、溫度和水位等參數(shù)的實時檢測。憑借自供能特性，HEGs 在偏遠地區(qū)和復(fù)雜環(huán)境中也具有長期穩(wěn)定工作的優(yōu)勢。同時，其在信號傳輸方面的潛力也逐漸受到關(guān)注，例如可用于低功耗信息傳遞和應(yīng)急通信。

最后，作者對全文進行了總結(jié)，并提出了 HEGs 未來發(fā)展的重點方向。通過對不同器件結(jié)構(gòu)的比較，作者指出，薄膜型 HEGs 研究最為廣泛，綜合性能較為均衡；多孔網(wǎng)絡(luò)型和多層型器件通常具有更高輸出，在實際應(yīng)用中更具潛力；纖維型器件雖具柔性優(yōu)勢，但在輸出能力和制備可行性方面仍有局限。總體來看，HEGs 與光伏、摩擦納米發(fā)電機等其他綠色能量采集技術(shù)相比，仍存在發(fā)電效率偏低、功率密度有限和機理認識不足等問題，這些仍是制約其規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

在未來展望中，作者提出了八個重點方向，包括拓展材料體系、深化機理研究、加強化學(xué)過程解析、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、建立標(biāo)準(zhǔn)化測試與報告體系、推進規(guī)模化制造、拓展應(yīng)用場景以及引入 AI 加速研究。總體而言，作者認為，隨著材料、機理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝和應(yīng)用場景的持續(xù)推進，HEGs 有望從一種新興能量采集技術(shù)，逐步發(fā)展為兼具供能與智能感知能力的重要可持續(xù)技術(shù)平臺。

該綜述以“Hydrovoltaic Electricity Generators: A Comprehensive Overview of Chemical and Architectural Designs”為題目發(fā)表在《Chemical Reviews》上，文章第一作者是延世大學(xué)材料學(xué)院博士趙凱瑩和博士生李勝優(yōu)。通訊作者為CheolminPark院士和昝廣濤研究教授。

通訊作者簡介：

CheolminPark教授，韓國科學(xué)院/工程院兩院院士，延世大學(xué)（QS 50）杰出教授。目前擔(dān)任Director of BK21 Education and Research Division for Futuristic Human-centric Materials, Director of Center for Artificial Synesthesia Materials Discovery，以及Board of Directors in Materials Research Society (MRS)。他于1992年和1995年在首爾國立大學(xué)獲得學(xué)士和碩士學(xué)位，2001年在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，2001-2002年，在哈佛大學(xué)擔(dān)任博士后研究員。2002年9月起，在延世大學(xué)成立Nanopolymers課題組，研究方向涉及光電材料和器件，鈣鈦礦以及低維納米材料，能量收集等并探索其在柔性傳感，發(fā)電和交互顯示器件的廣泛應(yīng)用。迄今已在Nature materials, Nature communications, Science advance, Energy & Environmental Science, Advanced materials等期刊發(fā)表270多篇SCI論文。

昝廣濤，博士，現(xiàn)為延世大學(xué)（Yonsei University）Research Professor。分別于同濟大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)獲得博士和學(xué)士學(xué)位，隨后在Cheolmin Park教授課題組從事BK21博士后研究。其研究聚焦于納米材料的仿生合成及其在柔性電子與可穿戴器件中的應(yīng)用。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文近60篇，其中以（共同）第一作者或通訊作者在Chemical Reviews、PNAS、Nature Communications、Matter、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition和Energy & Environmental Science等期刊發(fā)表約30篇。相關(guān)成果入選3篇ESI熱點論文和5篇高被引論文，總引用近2000次。申請中國、韓國和美國專利20項，其中12項已獲授權(quán)。曾擔(dān)任Exploration學(xué)術(shù)編輯及Science Bulletin、Nano-Micro Letters、Research等期刊青年編委。

課題組網(wǎng)站：

https://yonseinpl.wixsite.com/nanopolymer

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.5c00945