有关于水的利用见证了人类历史的发展进程。水既是生命之源，又是生产生活中不可或缺的重要资源。然而，直到近期，对于空气中湿气的有效利用才吸引了人们的广泛关注。比如，吸收空气中的湿气凝结成为水，可以作为干旱地区获取液体水的有效途径。此外，湿气中所蕴含的能量也是巨大的，湿气是液态水吸收大量能量蒸发形成，1 g水大约要吸收2.26 kJ的能量变成气态水，这些能量与一节AAA电池相当。湿气自发电现象，就是将蕴藏在湿气当中这部分能量有效利用的典型范例。

湿气发电是一种新兴的能源转化技术，能够将大气水分中蕴藏的化学能转化为电能。近几年，该技术取得了显著进展，但仍面临以下挑战：首先，虽然开路电压已从2016年的0.2 V提高至1.2 V，但其他电力输出性能仍然较低，电流密度普遍低于50 μA cm-2。其次，大多数湿电材料是内部具有大量纳米孔道的固体材料，其固有的刚性骨架造成柔韧性较差。这些瓶颈问题导致该技术尚未走上实际应用。

一、湿气发电技术的基本原理

水在自然界中存在气、液、固三种状态。当水发生气态到液态的转变时，会释放出巨大的能量。理论上，1克水从气态到液态的相变过程可以产生高达2260千焦的能量，与常规的AAA干电池相当。利用水分子与纳米材料的相互作用，将上述过程中水分子从气态到液态相变过程中的能量收集起来，转化为电能的技术，就是湿气发电技术[2]。

案例：光电效应

以光电效应为例，半导体材料受到光照激发时，会诱导材料内部电子-空穴分离，并分别向阴极与阳极两端迁移，在内部形成内建电场，从而产生电能。湿气发电技术的工作原理主要是基于湿电效应[4]。当纳米材料接触湿气时，在溶剂化作用下湿气会诱导纳米材料内部的含氧官能团解离，产生正负电荷，而由于正负电荷尺寸上的差异（正电荷往往为较小的质子）以及空间限域作用，材料内部仅产生正电荷的定向迁移，从而产生电能。

具体过程为：首先通过物理或者化学的方式在材料内部构建梯度结构（如官能团梯度或水含量梯度）；当湿气吸附时，会诱导材料内部的化学官能团解离，产生可自由迁移的阳离子；由于阴离子尺寸较大，且限域在大的共轭结构或者长链上而无法迁移。因此，在材料内会形成阳离子的梯度结构；在离子浓度梯度的作用下，阳离子从高浓度区域向低浓度区域扩散，当外接负载形成回路时，则会在外电路中产生电能输出；当湿气脱附时，阳离子会在阴离子所产生的电场力的作用下回到原来的位置，从而完成一个产电循环。

上述产电过程依赖湿气的动态吸脱附以及离子的迁移过程。由于湿气是唯一的外界物质源，因此该产电过程非常绿色环保、没有任何有污染的副产物，且高度可逆，是一种高效的绿色能源收集技术。

二、湿气发电技术的应用

作为一种新型的绿色能源技术，湿气发电不仅可以实现高效的电能转化，同时产生的电能也非常可观。经过短短几年的发展，湿气发电技术已经取得了非常大的进步，单个湿气发电器件的输出电压已经从几十毫伏到超过1伏，能够给常见的小型电子器件供电。例如，通过器件集成的方式，可以有效将湿气发电器件产生的电能存储在电容器上，成功驱动LED灯泡、手表、小型马达等电子器件的工作[5]。

湿气发电器件本身对于外界湿气的刺激具有非常灵敏的反应，在传感领域也展现出巨大的应用潜力。日常生活中，人体呼吸过程会产生大量的湿气，且呼吸的频率与人体的运动状态密切相关。基于此，利用湿气发电器件可以实现对人体呼吸的传感，进而感知人体的心脏跳动等生理信号，实现对人体健康的检测[2]。另外，人体活动中会通过皮肤进行排汗，从而与外界进行换热，以维持温度的平衡。利用湿气发电器件对湿气快速响应的特性，可以感知人手指部分湿气的变化，进而进行人体动作的识别与追踪，实现无接触式的湿度传感[11]。

此外，湿气发电器件也可以制成织物或者集成到口罩、衣服等纺织品上，或者加工成柔性的能源包，应用到可穿戴电子器件领域。湿气发电技术其中一个有待探索的应用领域是物联网。物联网是由大量分布式的微小传感器组成，如何为这些微小型器件供电是一大挑战。传统的电池或者电容器在物理尺寸上很难做小；同时，二次充电也是一大难题。而湿气发电器件可以直接从周围环境中吸收湿气，并转化为电能，具有绿色可循环的特点，同时还可以重复使用。借助激光加工等成熟的工业化手段可以实现微小型湿气发电器件的加工与制备，因此有望在物联网领域展现出巨大的应用前景。

三、湿气发电技术的挑战

湿气发电技术最早在2015年由曲良体教授课题组提出。经过短短几年的发展，湿气发电器件的性能已经得到了数十倍的提高，单个器件的输出电压已经与单节干电池相当；湿气发电材料也得到了有效的发展，碳材料、无机材料、高分子材料、生物材料等新型湿气发电材料不断涌现；基于湿气发电技术的应用不断兴起，在能源供给、传感、可穿戴电子等领域展现出巨大的应用前景。

但作为一种新型的绿色能源技术，湿气发电技术在真正走向应用之前仍然存在诸多挑战。首先，单个湿气发电器件的输出电流还太低（微安量级），输出功率（微瓦）难以满足中小型电子器件的需求；其次，目前的研究还主要聚焦在单个器件上，由于缺乏有效的器件加工与制备技术，导致湿气发电器件的大规模集成依然受限；此外，湿气发电材料的机械特性与器件性能的稳定性也是一大挑战。

2021年，福建农林大学研究团队发现微生物制备的薄膜可以用于湿气发电。它可将空气中气态水分子蕴含的能量转化为电能。在此之前，大多数湿气发电机是由昂贵的材料(石墨烯、金、聚电解质等)制备而成，制作过程复杂，且持续时间短。该技术基于自然界广泛存在的微生物资源构建出三明治结构的微生物薄膜空气发电机。目前，该技术不仅实现直流电的持续产生，而且能够驱动小型电子设备的长时间运行。

这种零污染、负排放的微生物薄膜湿气发电技术的问世，无疑将为新能源领域的发展注入新的活力。

目前，从湿气发电的机理、湿气与材料的相互作用，到设计高性能湿气发电材料，再到湿气发电技术的大规模应用等都面临着诸多问题，这需要广大物理、化学、材料以及机械等众多领域的科研工作者的积极参与，不断推动湿气发电技术的发展与应用。

文章来源： ​探臻科技评论，高分子科学前沿，财讯网