High-Output Moisture-Electric Generator Based on High-Conductive Anti-Freezing Poly(Acrylamide)/NaCl Ionic Hydroge
24 August 2026
https://doi.org/10.1002/adfm.77335
关键词：离子水凝胶；PAM/NaCl；抗冻水凝胶；湿气发电机；湿度发电；离子迁移；全天候发电；自供电传感器；柔性能源材料
一、研究背景
湿气发电机（MEGs）能够直接捕获大气中广泛存在的气态水分子，将环境水汽蕴含的化学势能直接转化为电能，在物联网分布式节点、低功耗微型电子器件领域具备巨大的应用潜力。但现阶段水凝胶基湿气发电机仍然存在两项关键瓶颈：器件电学输出水平受限，且难以在严苛温度条件下稳定工作。多数器件高度依赖温和室温、高湿度环境，低温、干燥工况下发电性能显著衰减；长期运行还会面临失水、离子分布偏移，耐久稳定性不足，制约实际全天候部署。
针对上述技术痛点，该工作设计制备高导电抗冻聚丙烯酰胺/NaCl离子水凝胶（PNIH）作为核心功能层，构筑PNIH‑MEG湿气发电器件。依托湿气诱导离子迁移、水凝胶‑电极界面双电层效应、界面反应以及PNIH本征高离子电导率四重协同机制，同时实现高电学输出、宽温域抗冻、低湿度耐受与长周期运行稳定，为全天候湿气发电材料提供新的设计思路。
二、结果与讨论
图1｜PNIH离子水凝胶材料表征与PNIH‑MEG器件构型设计
本组图系统展示PNIH离子水凝胶的基础理化表征以及湿气发电器件完整构筑方案。以化学交联聚丙烯酰胺（PAM）作为三维高分子网络骨架，引入NaCl电解质，解离产生大量游离Na⁺、Cl⁻，在网络内部构建连续的离子传输通路，由此得到兼具高导电性与抗冻特性的PNIH离子水凝胶。
图组包含水凝胶微观孔道形貌、元素分布、离子电导率测试、低温条件下宏观状态对比等表征结果，证明高分子交联网络完整，电解质离子在凝胶内部均匀分散，材料实现优异离子传导与抗冻能力；同时给出PNIH‑MEG器件结构示意图，清晰展示PNIH功能水凝胶层、上下集流电极的组装形式，明确水汽单侧输入的器件工作构型，从材料与器件两个层面，搭建湿气‑电能转换的物理基础。
图2｜PNIH‑MEG单器件基础电学输出性能、长效稳定性及发电机理解析
本组图完成标准条件下单器件系统电学测试，并结合对照实验解析发电内在协同机制。测试结果表明，优化后的PNIH‑MEG单器件可实现1.6 V持续稳定开路输出电压，电流密度可达1.2 mA/cm²，功率密度达到129 µW/cm²。长效测试结果证实，器件可以不间断连续稳定输出16天，输出电压无明显衰减，反映PNIH凝胶具备良好的结构稳定性与保水能力。
通过设置多组对照实验，区分各部分贡献：环境水汽被水凝胶吸附后驱动离子发生迁移，在凝胶‑电极界面形成双电层，同时伴随界面反应，叠加PNIH本身的高离子电导率，四重因素协同作用共同实现器件优异的电学输出性能，阐明该湿气发电机的能量转换机制。
图3｜严苛工况下全天候发电性能以及与已发表文献横向性能对比
为评估器件面向真实复杂环境的适配能力，开展梯度温度、梯度相对湿度下的发电性能测试。该图包含不同温度、不同相对湿度条件下开路电压、电流密度变化曲线。测试结果显示，即使在‑20 ℃低温以及20%RH极低相对湿度的严苛条件，PNIH‑MEG依旧能够维持1.6 V稳定输出电压，充分体现器件优秀的全天候工作能力。
图中同时汇总近年已报道水凝胶基湿气发电机的文献数据，将本工作的输出电压、功率密度、可工作温湿度窗口开展横向对比，直观凸显本体系在电学输出与环境耐受性上的综合优势。
图4｜器件阵列集成与商用低功耗电子设备实际驱动演示
面向实际应用场景，对PNIH‑MEG单元开展阵列化串并联集成验证。图组包含阵列组装实物照片、串并联电学输出曲线以及实际供电演示结果。将72个MEG单元串联，实现120 V高压输出；将6个MEG单元并联，获得5.0 mA输出电流，输出符合串并联电学叠加规律，证明该器件拥有良好的规模化集成潜力。
应用演示结果表明，集成后的器件阵列可对商用电容器完成充电，还能够直接驱动十台商用温湿度计正常工作。上述实验证实PNIH‑MEG产生的电能具备实际可用性，可直接为物联网中大量微型低功耗传感器供电，验证了湿气发电机面向分布式自供电系统的应用可行性。
三、全文总结
该研究制备高导电抗冻PAM/NaCl离子水凝胶，构筑高性能PNIH‑MEG湿气发电机。依靠湿气诱导离子迁移、界面双电层效应、界面反应以及PNIH高离子电导率四重协同效应，单器件实现1.6 V稳定电压输出，可以连续工作16天。在‑20 ℃低温、20%RH干燥的严苛工况下器件仍维持稳定发电，展现突出的全天候环境适应能力。
通过器件阵列的串联与并联集成，分别实现高压、大电流输出；集成阵列既可以为商用电容器充电，也可直接驱动十台商用温湿度计。该工作为设计高输出、环境适应性强、可持续的清洁能源湿气发电体系提供新的研究思路，在物联网分布式自供电领域具备良好应用前景。
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