近日，机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所ITEWA团队与东南大学团队合作在国际期刊Nature Communications发表了题为 “Radiative cooling assisted self-sustaining and highly efficient moisture energy harvesting” 的研究论文。该工作针对自然环境波动严重影响湿气发电稳定输出的难题，提出了一种辐射致冷辅助的高效稳定湿气发电新策略，构建了兼具“水分吸附-湿气发电-辐射致冷”多功能的双层聚合物凝胶，为实现波动自然环境中高效长时湿气发电提供了新思路。我院博士生王鹏飞和东南大学研究生郭晨玥、汤华杰为论文共同第一作者，李廷贤研究员和东南大学赵东亮教授为共同通讯作者，王如竹教授对该工作给予了指导和建议。
从水蒸气中收集能量是缓解能源危机的一条有效途径。借助功能化纳米材料的自发湿气吸附，湿气发电技术可以直接将水分子状态转变的化学势能转化为电能，得到了学界内广泛关注。已有研究通过在材料中建立水分梯度实现了连续电压输出，但吸附过程中梯度驱动力减弱和电流衰减仍旧是制约规模化湿气发电部署的瓶颈难题，如何在复杂环境波动中维持材料内部持续稳定的水/离子流动是实现自维持高效湿气发电的关键。因此，亟需系统性评估自然环境因素（太阳辐射、环境温度、环境湿度）对湿气发电输出性能的影响机制，从热力学与动力学角度提出实现材料内部水分“吸附-传输-蒸发”动态平衡的设计策略，指导新型湿气发电材料的结构设计和规模化部署。
辐射致冷辅助的自维持高效湿度发电器件设计
研究团队提出了通过辐射致冷调控太阳辐射和环境温度，辅助实现高效稳定湿气发电的新策略。研究人员设计了一种由疏水多孔聚偏氟乙烯-六氟丙烯 [P(VdF-HFP)] 顶层和亲水离子水凝胶底层组成的湿度发电器件。由聚乙烯醇（PVA）和植酸（PA）建立的离子水凝胶网络，与削弱氢键相互作用的LiCl结合，赋予PP/IH优异的吸湿能力、丰富的解离电荷载体和高效的水/离子传输性能。水凝胶可自发吸收空气中的水分并解离出离子，顶层疏水多孔结构可自发驱动水分解吸，基于此构建的吸附-解吸动态平衡驱动水/离子连续流过带负电荷的纳米通道，产生持续电力输出。与此同时，分级多孔顶层的辐射冷却效应在日间降低蒸发温度，保证连续定向水/离子流动，在夜间有效平衡吸附放热，提高吸附速率，促进水分梯度恢复，实现昼夜交替中稳定的吸附-解吸循环。
湿度发电器件输出性能和户外输出稳定性
该器件具备卓越的电力输出性能，单个器件（1 cm2）可输出~0.88 V的开路电压和~306 μA的短路电流，最大输出功率密度达51 μW cm−2。同时，器件可有效避免环境波动对电力输出的影响，在为期6天的连续户外测试中，器件表现出自维持和高效的功率输出。此外，通过集成多个器件单元，该器件可轻松扩展电输出以满足不同应用场景：3×3串并联连接的器件足以驱动电致变色玻璃银沉积，3×6串并联连接器件可直接为电子墨水屏供电。相关研究为制备自维持高效湿气发电器件提供了新思路，为推动规模化湿气发电部署提供了新策略，在建筑节能、自供电可穿戴设备等方面展现出广阔的应用前景。
王如竹教授领衔的ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science、Nature Reviews Materials、Chemical Society Reviews等国际期刊上发表系列跨学科交叉论文。
