本研究开发了一种高电流水伏器件（High-Current Hydrovoltaic Devices, HHDs），通过动态调控双电层（Electrical Double Layer, EDL）实现了创纪录的电流输出性能。该器件采用聚（乙烯醇）-聚（丙烯酸）（PVA-PAA）水凝胶薄膜修饰的铂（Pt）电极，在周期性浸入-抽出氯化钠溶液的过程中，利用水凝胶网络中固定的聚阴离子与溶液中阳离子之间的相互作用，构建了不对称的双电层结构。该器件实现了高达2432 μA cm⁻²的短路电流密度（Isc）和1120 mC m⁻²的转移电荷密度（Qsc），最大功率密度可达2 W m⁻²。这一性能远超现有的摩擦纳米发电机、摩擦离子纳米发电机和液滴能量收集器。更重要的是，研究发现该过程涉及电化学氧化还原反应，特别是氧还原反应（ORR），这为器件的高输出性能提供了化学驱动力。该器件在100次循环后仍保持稳定的输出性能，展现出优异的循环稳定性。这项工作不仅为水伏技术的发展开辟了新途径，也为离子电子学（Iontronics）领域的能量收集与信息传输提供了重要参考。水伏技术（Hydrovoltaic Technology）作为一种新兴的能源收集方式，近年来受到广泛关注。该技术利用水与固体材料之间的相互作用，将自然界中普遍存在的水流动能、蒸发能等转化为电能，具有绿色、可持续、分布广泛等优势。传统的水伏器件主要依赖于碳纳米材料（如石墨烯、氧化石墨烯、纳米结构碳等）与水的相互作用，通过双电层的动态调控产生离子电流，但输出性能通常较低，电流密度多在微安每平方厘米量级。双电层（EDL）是固液界面处电荷分离形成的特殊结构，由亥姆霍兹层（紧密层）和扩散层组成。当固液界面发生相对运动时，双电层的动态变化可以驱动离子迁移，产生电流。这一现象最早在19世纪由亥姆霍兹提出，后经古依、查普曼和斯特恩等人发展完善。近年来，研究人员发现通过动态调控双电层的形成与破坏，可以显著提高能量转换效率。- 传统水伏器件依赖于碳材料的表面电荷特性，电荷密度有限；
- 能量转换机制以物理过程为主，缺乏化学能量的协同利用；
与此同时，离子电子学（Iontronics）作为电子学的新兴分支，利用离子作为电荷载体，在能量转换和信息传输方面展现出独特优势。摩擦离子纳米发电机（Triboiontronic Nanogenerator）通过固液接触起电和离子迁移的耦合，实现了较高的输出性能，但器件结构和制备工艺相对复杂。因此，开发一种结构简单、性能优异、机制新颖的水伏器件，成为该领域的重要研究方向。本研究创新性地采用聚电解质水凝胶修饰电极，通过物理交联形成稳定的聚阴离子网络，结合电化学氧化还原反应，实现了水伏器件性能的突破性提升。本研究旨在开发一种新型高电流水伏器件（HHD），通过聚电解质水凝胶薄膜修饰的动态电极，实现双电层的动态调控与电化学氧化还原反应的协同作用。研究团队采用PVA-PAA复合水凝胶作为关键功能材料，利用其独特的聚阴离子网络结构和优异的离子传导特性，构建了不对称的双电层体系。通过系统研究水凝胶组成、电解质浓度、操作频率等参数对器件性能的影响，深入揭示了物理离子迁移与化学氧化还原反应耦合的能量转换机制，最终实现了安培级电流密度的输出，为水伏技术的实用化奠定了基础。HHD的核心结构包括石墨纸集流体、铂（Pt）电极、PVA-PAA水凝胶薄膜和氯化钠溶液。器件工作时，修饰有水凝胶薄膜的Pt电极在NaCl溶液中进行周期性的浸入-抽出运动。当电极浸入溶液时，水凝胶中的固定聚阴离子（PAA链段）吸引溶液中的阳离子（Na⁺），形成双电层；同时，Pt电极表面发生氧还原反应（ORR）：O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O，消耗电子产生阴极电流。当电极抽出时，双电层被破坏，离子重新分布，产生反向电流。这种物理离子迁移与电化学反应的协同作用，实现了高电流输出。单次操作循环的电流曲线显示，浸入过程产生尖锐的正向电流峰（约2400 μA），抽出过程产生较小的反向电流，整个循环的净电荷转移显著。与未修饰水凝胶的裸Pt电极相比，水凝胶修饰电极的电流输出提高了两个数量级以上，证明了水凝胶层的关键作用。PVA-PAA水凝胶通过溶液浇铸、热退火和再水化工艺制备。FTIR光谱证实了PVA与PAA之间的成功复合，羟基（3267 cm⁻¹）和羰基（1708 cm⁻¹）的特征吸收峰表明了氢键和酯化作用的存在。水凝胶的溶胀行为对器件性能至关重要：干燥薄膜初始电流极小，随着在盐水中溶胀（最终溶胀率200%），输出电流迅速上升并在40分钟后达到饱和。这是因为溶胀过程使聚阴离子网络充分伸展，增加了可移动阳离子的数量。NaCl溶液浓度的优化实验表明，1 M浓度时器件性能最佳。较高浓度降低了电路内阻，但过高浓度可能导致双电层压缩，反而不利于电荷分离。有趣的是，HHD的输出表现出明显的频率依赖性：操作频率从1 Hz降低到1/32 Hz时，Isc从约1000 μA增加到2432 μA。这一现象对于纯物理过程而言是不寻常的，暗示了电化学机制的参与。环境湿度控制实验表明，输出电流与湿度无关，排除了水蒸发作为主要驱动力的可能，进一步证实了电化学反应的主导作用。长期浸入实验（不抽出）显示，电极在溶液中保持数微安的稳态电流，这是典型的电化学反应特征。当使用更活泼的金属（Al或Cu）替代Pt时，观察到大的反向（负）电流，归因于金属氧化反应（M → Mⁿ⁺ + ne⁻），与Pt电极上的正电流（氧还原）形成鲜明对比。这证明了器件输出可以通过选择不同电极材料来调控反应类型和电流方向。HHD在100次连续脉冲操作循环中保持了稳定的输出，循环效率保持在90%以上，展现出优异的耐久性。与现有技术的对比显示，HHD的Isc密度（2432 μA cm⁻²）和Qsc密度（1120 mC m⁻²）远超摩擦纳米发电机（TENG）、摩擦离子纳米发电机和液滴能量收集器。器件输出电压约0.24 V，与双电层的理论电位一致。该器件的高输出性能使其在自供电传感、蓝色能源收集和离子电子系统集成等领域具有广阔应用前景。特别是其直流输出特性，便于直接驱动电子器件或为储能装置充电。本研究成功开发了一种基于PVA-PAA水凝胶修饰电极的高电流水伏器件，通过动态双电层调控与电化学氧化还原反应的协同作用，实现了2432 μA cm⁻²的超高电流密度和2 W m⁻²的功率密度，性能远超现有水伏技术。研究揭示了聚电解质水凝胶中固定电荷与溶液离子的相互作用机制，以及氧还原反应对能量转换的贡献，为理解固液界面的能量转换过程提供了新视角。该器件制备工艺简单、成本低廉、性能稳定，且具有良好的循环耐久性。这项工作不仅推动了水伏技术的发展，也为离子电子学领域的能量收集与信息传输开辟了新途径，有望为分布式能源系统和自供电电子设备提供可靠的电源解决方案。图1、高电流水伏器件（HHDs）的性能。 (a) HHD在周期性浸入-提拉循环下的工作原理示意图；(b) 单次工作循环中的典型输出电流曲线；(c) 有和没有水凝胶薄膜的动态Pt电极的电流输出对比；(d) HHD在连续脉冲操作100个循环下的循环稳定性；(e) HHD与现有收集摩擦电、摩擦离子和液滴能量的先进器件的输出电流性能对比。注：动态电极的面积为1 cm²。
图2、高电流输出的构型设计。 (a) 在Pt箔上涂覆聚乙烯醇（PVA）/聚丙烯酸（PAA）水凝胶薄膜的示意图；(b) 傅里叶变换红外光谱证实PVA和PAA的成功复合；(c) 与裸Pt电极相比，PVA-PAA-Pt电极随浸泡时间增加再水化后输出电流的增强；(d) NaCl浓度对输出电流的影响；(e) 工作频率与输出电流的相关性。
图3、化学过程。(a) 将石墨纸电极和PVA-PAA-Pt电极浸入NaCl溶液（1 M）中的长期电流曲线，插图为脉冲处的放大电流曲线；(b) 使用Pt电极或其他金属电极作为动态电极时输出电流的变化；(c) 有和没有水凝胶涂层的Pt电极的输出电流变化；(d, e) 分别在PVA-PAA-Pt电极附近（d）和石墨纸电极附近（e）交替进行O₂/N₂吹扫时的长期短路电流响应；(f) 短路操作前后石墨纸的XPS全谱；(g) 高分辨XPS碳谱显示短路后氧化碳物种的增加。
图4、物理过程。(a) 测量液滴沿电极表面滑落后电荷的装置示意图；(b) 沿PVA-PAA-Pt电极滑落的液滴比裸Pt电极表现出更高的转移电荷；(c) 水凝胶/溶液界面的二维模型示意图；(d) 计算得到的水凝胶本体和溶液中的Na⁺和Cl⁻浓度；(e) 水凝胶与溶液界面区域的离子分布；(f) 裸Pt和PVA-PAA-Pt电极在不同pH值溶液中的输出电流；(g) 水凝胶薄膜涂层贡献的输出电流增强，通过在每个pH值下从PVA-PAA-Pt电极的电流中减去裸Pt电极的电流获得；(h) 不同盐溶液中输出电流的变化。
图5、HHDs的充电性能。 (a) 每次脉冲的转移电荷和每分钟累积电荷的频率依赖性；(b) 单个HHD驱动不同电容电容器的充电曲线；(c) 安装在机械执行器上用于连续操作的组装HHD模块照片；(d) 使用一个、两个和三个串联HHD电池对电容器（220 μF）的充电曲线；(e) 带升压转换器的存储电容器两端累积的输出电压；(f) 升压HHD输出驱动商用计算器的演示。
Wei Dang\*，单位：Key Laboratory of Aerospace Power and Energy, College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Chinahttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202500123本文来源各大出版社论文数据库，版权归文章出版社所有；本文内容采用AI辅助整理生成，如有错漏请私信联系；本文仅用于学术分享，转载请注明出处；如需推广本人学术成果和商务合作请私信联系，若有错漏或侵权请私信联系删除或修改！
