随着全球能源危机日益严峻，从环境中获取绿色能源成为科学研究的重要方向。大气中蕴含着巨大的水循环能量，全球每年与水循环相关的能量潜力超过600万亿千瓦。近年来，基于水伏效应的能量收集技术——尤其是湿气发电机（MEGs），因其能够从无处不在的大气湿气中自发捕获能量，无需光照、摩擦或温度梯度等外部驱动条件，展现出独特的环境适应性和应用潜力。然而，现有MEGs普遍存在电流密度低的问题，主要受限于离子浓度和迁移速率不足，同时缺乏与可穿戴电子系统直接集成的能力。如何实现高电流密度、可连续生产且易于集成到纺织品中的湿气发电器件，成为该领域亟待突破的关键挑战。

针对上述问题，东华大学王宏志教授、侯成义研究员团队设计出一种新型湿气发电纱线（MEY）。该MEY采用离子泵策略，有效促进离子浓度梯度的建立并增强离子迁移速率，显著提升了电输出性能。在25°C、60%相对湿度条件下，MEY可持续产生约1伏电压和高达5.7毫安每立方厘米的电流密度，性能优于目前已报道的大多数MEGs。研究团队还开发了规模化连续制备工艺，可单批次生产数百米长的纱线。凭借其独特的纱线结构，输出电流随长度线性增加，1米长纱线（约0.1克）可达4.3毫安。该轻质、可缝纫的纱线为可穿戴电子设备和实时定位应用提供了一种安全、环保的辅助电源方案。相关论文以“An Ion Pump Enhanced High-Current-Density Moisture-electric Yarn”为题，发表在Advanced Materials上。

研究团队首先阐释了MEY的发电机理与全球应用潜力。如图1所示，MEY通过自发吸收大气湿气，在纱线内部建立离子浓度差，连续的定向离子扩散产生持续的电输出，有效将水相变能转化为化学能进而转化为电能。全球大气中蕴含着丰富的潜湿能，即使在埃及等干旱地区，单位体积能量密度仍可达7.41瓦，足以支持智能手机约30分钟的通话时长。在全球六个代表性城市的平均气候条件下，MEY均能实现较高的功率密度输出，展现出广阔的应用前景。

图1 | MEY的应用场景和发电机制。 （A）采用MEY的纺织品发电系统及其应用（左），以及MEY中用于发电的不对称离子迁移机制（右）。 （B）2024年全球潜湿能分布。 （C）MEY在全球六个代表性城市中的功率密度。温度和相对湿度数据代表这六个城市2024年的平均气候条件。数据来源于气候数据商店。 

在MEY的制备与表征方面，研究团队实现了连续化生产（图2A）。通过顺序浸涂、干燥和加捻工艺，首先制备正负电极纤维，然后分别负载阳离子聚合物和阴离子聚合物，最后将两种聚合物纤维以优化捻距加捻组装成MEY。扫描电镜和能谱元素面分布图像（图2B）显示，各纤维层涂层均匀，导电纤维、导电颗粒和离子聚合物层之间建立了优异的界面接触，为MEY提供了高效的电荷传输路径。电性能测试表明，随着相对湿度从20%升至80%，MEY的电压和电流逐渐增强（图2C）；随着温度升高，短路电流显著上升（图2D）。通过优化阴阳离子聚合物层厚度比（3:2），MEY达到最佳输出性能（图2E）。在200欧姆最优负载电阻下，MEY的最大体积功率密度达1.2毫瓦每立方厘米。一根5厘米长的MEY可在标准测试环境下持续发电约5天，输出电压稳定维持在约0.9伏（图2F）。与已报道的多数MEGs相比，MEY的电性能表现优异（图2G）。经过10至100次折叠、摩擦、扭曲和弯曲循环后，集成MEY的纺织品的电压和电流输出保持稳定，展现出良好的机械耐久性（图2H）。

图2 | MEY的连续生产和电性能。 （A）连续化MEY生产装置示意图。将不同组分的导电颗粒浆料涂覆到相应的导电纤维上。干燥后，将正极纤维涂覆阳离子聚合物浆料（蓝色），负极纤维涂覆阴离子聚合物浆料（橙色）。第二次干燥后，以优化捻距将两根纤维加捻。 （B）聚合物纤维（i）和MEY（ii）的照片。MEY的横截面扫描电镜图像（iii）和能谱元素面分布图像（iv-viii）。 （C）MEY在不同相对湿度下的输出电压和电流。 （D）MEY在不同温度下的输出电压和电流。 （E）MEY在不同PSS/PDDA厚度比下的输出电压和电流。 （F）MEY在60%相对湿度和25°C下的连续电压输出。 （G）已报道的一维MEGs性能对比。 （H）集成MEY的纺织品在10至100次折叠、摩擦、扭曲和弯曲循环后的输出电压和电流变化。误差棒代表三个独立样本的标准差（n=3）。 

关于湿气能量收集机理，研究发现MEY在干燥条件下无法发电，而在湿度增加时自发吸附大气水分，使聚合物解离出不同离子并发生定向迁移产生电信号（图3A）。开尔文探针力显微镜测试揭示了阴阳离子聚合物层之间明显的表面电势差异（图3B），且湿度升高使表面电势差增大，表明更强的内建电场驱动离子迁移（图3C）。离子泵机制主要体现为三个方面：首先，氯化锂的高水合能和甘油的氢键网络增强了离子聚合物的吸湿能力，相互作用能计算表明氯化锂和甘油均不同程度地增强了组分与水的相互作用（图3D）；其次，基于霍夫迈斯特效应，锂离子减少水分子间氢键从而增加移动离子浓度，甘油则通过减弱分子链间相互作用和重构氢键网络促进氢离子释放和迁移（图3E）；第三，聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇在离子泵机制中发挥选择性筛选离子的作用，静电势分布和结合能计算表明聚乙烯吡咯烷酮对阳离子吸引更强，而聚乙烯醇对氯离子吸引更强（图3F-H）。此外，阴离子聚合物侧引入锌颗粒可生成锌离子补充体系中的离子种群，进一步提升电性能。

图3 | MEY的湿气能量收集机制。 （A）MEY中吸湿解离聚合物的微观机制示意图。 （B）阳离子聚合物层（蓝色）和阴离子聚合物层（红色）的相对表面电势。 （C）阳离子聚合物层（蓝色）和阴离子聚合物层（红色）在相对干燥和潮湿状态下的相对表面电势。 （D）计算得到的水与PVP/PDDA、PVP/PDDA@LiCl、PVA/PSS和PVA/PSS@Gly之间的相互作用能。 （E）LiCl和Gly促进离子迁移的机制示意图。 （F）骨架聚合物（PVP和PVA）主动吸引不同离子的示意图。 （G）PVP和PVA的静电势分布。 （H）气相中PVP与Li⁺、PVA与Li⁺、PVP与Cl⁻、PVA与Cl⁻之间的结合能。 

在规模化集成方面，MEY的一维结构使其具有独特的优势（图4）。传统薄膜MEGs通常需要将多个独立单元并联才能放大电流，但电极界面接触不可靠影响效率和稳定性。而MEY的单根长纱线本质上可视为多个短MEY并联形成的“自并联”构型，输出电流随长度线性增加，110厘米长的MEY的电流输出相当于24个薄膜MEGs并联（约4.8毫安）（图4A-B）。电压随长度几乎保持不变而电流等比例增加（图4B）。通过内部导电纤维即可方便地将MEY段串联或并联，20个MEY串联提供18伏电压，30个MEY并联提供6毫安电流（图4C-D）。即使纱线意外切断，重新连接内部导电纤维即可恢复电路。

图4 | MEY的可规模化集成。 （A）传统薄膜MEGs（i）与MEY（ii）在直接可集成性、可针织性和柔韧性方面的比较。单根110厘米长的MEY的电流输出相当于24个薄膜MEGs并联（约4.8毫安）。 （B）电压随MEY长度几乎保持不变，而电流成比例增加。 （C）不同段数的5厘米长MEY串联后的输出电压。 （D）不同段数的5厘米长MEY并联后的输出电流。误差棒代表三个独立样本的标准差（n=3）。 

在应用展示方面，MEY可作为高性能能源直接缝制到各种纺织品中（图5A）。除能量收集外，MEY还表现出压力响应行为，在不同压力下产生不同的电信号（图5B），并对人体呼吸表现出敏感性（图5C），具有触觉传感和呼吸监测潜力。将四根50厘米长的MEY集成到纺织品中可产生约4伏电压和2.5毫安电流，集成到夜跑服衬里中可直接点亮50厘米长的柔性LED灯带（图5D-E）。一根5厘米长的MEY可为2200、3300和4700微法商用电容器充电，四根更长的MEY集成到纺织品中可为小型定位系统供电并将实时数据显示在智能手机上（图5F）。根据不同电子设备的功率需求，可定量集成不同长度的MEY（图5G）。

图5 | MEY的应用。 （A）MEY集成到服装中为LED灯带、小型定位系统和智能手机供电的示意图。 （B）MEY在不同施加压力下的电压响应。 （C）MEY对人体呼吸暴露的电压响应。 （D，E）集成MEY的纺织品在夜跑服装中直接为LED灯带供电。 （F）（i）5厘米长MEY对商用电容器（2200、3300和4700微法）的充电过程；（ii）MEY可作为缝纫线绣在纺织品上；（iii）集成MEY的棉纺织品为小型定位系统供电；（iv）智能手机上的实时数据展示。 （G）不同长度的MEY为各种商用电子设备供电。

综上所述，该研究通过重构传统异质MEGs，开发出一种可连续生产的一维湿气发电纱线。其核心科学创新在于离子泵机制，实现了高效的定向离子迁移和增强的电流输出。MEY实现了5.65毫安每立方厘米的电流密度，超过目前已报道的大多数MEGs。纤维结构使MEY比传统MEGs更容易实现电流的线性增强。当作为柔性电源缝入纺织品时，MEY特别适用于可穿戴系统中的连续辅助供电，包括LED照明和定位等应用。此外，MEY还展现出传感和监测应用潜力。这项工作为一维MEGs的设计和规模化生产提供了有前景的框架，并凸显了其作为可穿戴电子产品可持续自供电器件的应用前景。

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