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图 辐射冷却辅助的自维持高效湿气发电器件设计
(a) 器件结构示意图；(b) 器件在昼夜循环中的运行模式；(c) 离子水凝胶组分及其相互作用；(d) 器件户外输出性能
在国家自然科学基金项目（批准号：52276178）等资助下，东南大学赵东亮教授和上海交通大学李廷贤教授合作，在辐射冷却协同高效湿气发电研究方面取得进展。研究成果以“辐射冷却辅助的自维持高效湿气发电（Radiative cooling assisted self-sustaining and highly efficient moisture energy harvesting）”为题，于2024年7月19日发表在《自然•通讯》（Nature Communications）期刊上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50396-9。
从无处不在的空气水蒸气中收集能量是缓解能源危机的一条有潜力的途径。利用功能化纳米材料的湿气发电机可通过自发湿气吸附，将水分子状态转变释放的化学势能转化为电能。为应对单一吸附过程中梯度驱动力减弱和电流衰减的问题，现有一些工作整合了水分吸附和解吸过程以实现持续地水/离子流动，但主要聚焦湿度变化引起的吸附/解吸，而实际应用中太阳辐射和环境温度的波动也为促进水循环提供了机会。因此，系统地考虑自然环境因素对湿气发电机性能的影响至关重要。
研究团队结合了辐射冷却这种通过反射太阳光并向宇宙发射中红外热辐射的无能耗被动冷却技术，通过优化材料与周围环境的热交换建立稳定的内部定向水/离子流，从而在吸附-解吸循环中实现自我维持和高效的湿气发电。为实现这一理念，研究团队设计了一种由疏水多孔聚偏氟乙烯-六氟丙烯辐射冷却顶层和亲水离子水凝胶底层组成的湿气发电器件。水凝胶层可自发吸收空气中的水分并解离出离子，多孔顶层则允许蒸发的蒸汽通过。吸附-解吸的动态平衡驱动水/离子连续流过带负电荷的纳米通道，从而产生持续的功率输出。分级多孔顶层的辐射冷却效应可防止水吸收太阳辐射，从而避免因白天过度蒸发而导致水凝胶内的水分梯度和水迁移速率衰减，在夜间则降低了水凝胶的吸附温度以加速水分吸附，有助于在昼夜交替中建立稳定的吸附-解吸循环。在为期6天的连续户外测试中，器件表现出稳定高效的电输出而不受环境条件波动的影响。
这项研究利用了辐射冷却过程对水分吸附-解吸动力学的影响，以在波动的自然环境中保持材料内部持续的水/离子流动，从热力学角度提出一种实现高效、稳定湿气发电的新途径，为提高湿气发电机在通常不适合工作的炎热干燥地区的输出性能提供了新思路。