研究背景

陆地、海洋和大气之间不断的水循环蕴含着巨大的可持续能源，新兴的水力发电机成功地利用了这些能源来发电。然而，目前的单级水能发电机在使用一次后，不可避免地会排出各种形式的水(如液体、水分)，造成水循环固有能量的巨大浪费。

鉴于此，清华大学曲良体教授团队提出了一种多级耦合水诱导发电机，利用不断水循环的能量来高效和可持续地发电。这种创新设计为可穿戴设备和其他电子设备提供了可靠的电源，具有广泛的应用前景。相关研究内容以“Multistage coupling water-enabled electric generator with customizable energy output”为题目，发表在期刊《Nature Communications》上。

本文要点：

1、提出了一种多级耦合水诱导发电机，利用内部液体流动和随后产生的水分同步发电，最大输出功率密度达到~92 mW m⁻²(~11 W m⁻³)。

2、其结构包括多级层，每层由电发电材料和金电极构成。通过吸收水分，实现电能生成，并可根据需求调节输出电压和电流。

3、该发电机在高湿度环境下表现出色，能够持续产生电能。

4、通过调整电阻和面积，可以实现不同电阻下的电压、电流和功率密度输出。

多级耦合水诱导发电机的主要设计特点:

1、多级功能层：不对称CaCl₂负载的碳布作为水流诱导发电层，三层聚电解质组成薄膜作为湿气诱导发电层，聚丙烯腈多孔静电纺丝层作为水分流层。每一层在发电过程中都起着特定的作用。

2、内部输水路径：发电机的设计是为了方便不同形式的水的循环，如液体和水分。这条内部水传输路径允许有效地利用水来发电。

3、液体流动和水分扩散协调：发生器协调内部液体流动和水分扩散过程，诱导离子浓度梯度和离子定向迁移，从而产生电能。这种过程的同步提高了发电的整体效率。

4、输出性能可调：发电机可根据电阻、面积、相对湿度等因素进行定制，调节输出电压、电流、功率密度。这种灵活性允许定制的电力输出，以满足不同的电子设备的要求。

通过结合这些设计特点，多级耦合水诱导发电机有效地利用内部液体流动和水分来发电，实现高功率密度和可定制的能量输出，适用于各种应用。

图1 多级耦合水诱导发电器件的示意图。

图2 多级耦合水诱导发电器件的结构和内部水传输。

图3 水流诱导发电层的结构与发电性能。

图4 湿气诱导发电层的结构、工作机理及发电性能。

图5 多级耦合水诱导发电器件的定制输出和大规模集成。

小结：

多级耦合水诱导发电机由多个功能层构成，通过内部液体流动和湿气扩散同步产生电能。实现最大输出功率密度约92 mW m^-2(~11 W m^-3)。通过尺寸控制、空间优化和大规模集成的三阶段调整过程，实现了多样化的电力输出，满足不同电子设备的需求。串联连接的22个单位可提供约10 V和约280 μA的输出，可直接点亮台灯30分钟而无需预先充电电容器。多级耦合水诱导发电机还表现出优异的灵活性和环境适应性，为水诱导发电机的发展提供了一种途径。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41371-x