想象一下，僅僅用海鹽和一塊織物等日常用品就能利用周圍空氣中的水分發電，甚至用一塊像紙一樣薄的無毒電池為日常電子設備供電。新加坡國立大學（NUS）設計與工程學院（CDE）的一組研究人員開發了一種由薄薄織物制成的新型水分驅動發電（MEG）裝置鈥攁厚度約為0.3毫米（mm）鈥攕ea鹽、碳墨水和特殊吸水凝膠。

MEG裝置的概念建立在不同材料通過與空氣中的水分相互作用發電的能力之上。由于其在現實世界中廣泛應用的潛力，該領域受到了越來越多的關注，包括自供電設備，如健康監測器、電子皮膚傳感器和信息存儲設備等可穿戴電子設備。

當前MEG技術的主要挑戰包括設備暴露于環境濕度時的水飽和和不令人滿意的電氣性能。因此，傳統MEG設備產生的電力不足以為電氣設備供電，也不可持續。

為了克服這些挑戰，由CDE材料科學與工程系助理教授Tan Swee-Ching領導的一個研究團隊設計了一種新型MEG裝置，該裝置包含兩個不同性質的區域，以永久保持各區域的含水量差異，從而發電并允許數百小時的電力輸出。

這項技術突破于2022年5月26日發表在科學雜志《先進材料》的印刷版上。

基于“電池”的長效自充電織物

NUS團隊的MEG裝置由一層薄薄的織物組成，織物上涂有碳納米顆粒。在他們的研究中，研究小組使用了一種由木漿和聚酯制成的商用織物。

織物的一個區域涂有吸濕離子水凝膠，該區域稱為濕區。這種特殊的吸水凝膠使用海鹽制成，可以吸收六倍于原始重量的水分，用于從空氣中收集水分。

“之所以選擇海鹽作為吸水化合物，是因為它的無毒性，以及它為海水淡化廠處理產生的海鹽和鹽水提供可持續選擇的潛力，”譚教授分享。

織物的另一端是不含吸濕離子水凝膠層的干燥區域。這是為了確保該區域保持干燥，水僅限于潮濕區域。

一旦MEG裝置組裝好，當海水在潮濕區域被吸收時，海鹽離子被分離，產生電能。帶正電荷的自由離子（陽離子）被帶負電荷的碳納米顆粒吸收。這會引起織物表面的變化，在織物上產生電場。表面的這些變化也使織物具有儲存電能供日后使用的能力。

使用獨特的干濕地區設計，NUS研究人員能夠保持濕地區的高含水量和干地區的低含水量。這將在潮濕區域被水飽和時保持電輸出。在開放潮濕環境中放置30天后，潮濕區域仍保持有水，證明了該裝置在維持電輸出方面的有效性。

“通過這種獨特的不對稱結構，與之前的MEG技術相比，我們的MEG設備的電氣性能顯著提高，從而可以為許多常見的電子設備供電，如健康監測器和可穿戴電子設備，”譚副教授解釋道。

該團隊的MEG裝置還表現出高度的靈活性，能夠承受扭曲、滾動和彎曲產生的應力。有趣的是，研究人員通過將織物折疊成折紙起重機展示了其出色的靈活性，而折紙起重機不會影響設備的整體電氣性能。

便攜式電源等

MEG設備因其易于擴展和商用原材料而立即得到應用。最直接的應用之一是用作移動電源，通過環境濕度直接為電子設備供電。

研究小組成員張耀新博士說：“吸水后，一塊尺寸為1.5×2厘米的發電織物可以在恒定的環境下提供高達0.7伏（V）的電力，持續超過150小時。”。

NUS團隊還成功展示了其新設備在為不同應用發電方面的可擴展性。NUS團隊將三塊發電織物連接在一起，并將它們放入一個標準AA電池大小的3D打印盒中。對組裝好的裝置進行測試，電壓高達1.96V鈥攈比約1.5V的商用AA電池高鈥攚這足以為小型電子設備供電，如鬧鐘。

NUS發明的可擴展性、獲得市售原材料的方便性以及每平方米約0.15美元的低制造成本使MEG器件適合大規模生產。

“我們的設備以較低的制造成本顯示出極好的可擴展性。與其他MEG結構和設備相比，我們的發明更簡單，更容易擴展集成和連接。我們相信它具有巨大的商業化前景，”譚教授分享。

研究人員已經為這項技術申請了專利，并計劃探索實際應用的潛在商業化策略。