近日，能源與動力學院極端條件熱物理及能源系統(tǒng)團隊唐大偉教授、李林教授、王昊楠副教授在水能利用領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)成果先后發(fā)表于《能源與環(huán)境科學》（Energy & Environmental Science）和《自然·通訊》（Nature Communications）。

水伏發(fā)電技術(shù)基于自然界水文循環(huán)中的水分遷移與相變過程進行能量轉(zhuǎn)換，是面向分布式可再生能源的重要發(fā)展方向。與依賴太陽輻照或風力資源的技術(shù)不同，水伏發(fā)電利用大氣濕度梯度、蒸發(fā)–冷凝、降雨滲透、自然水流及植物蒸騰等常態(tài)化水分輸運過程，通過水分化學勢差驅(qū)動離子遷移，實現(xiàn)近全天候、全地域的能量獲取。水文循環(huán)所涉及的蒸發(fā)潛熱與水分遷移能量規(guī)模遠高于全球年能源消耗總量，理論開發(fā)潛力巨大。然而，該技術(shù)長期面臨輸出電流密度低、工作溫域受限等關(guān)鍵瓶頸，制約其規(guī)模化應(yīng)用。

針對輸出電流低的問題，研究團隊提出了非對稱浸潤性雙層結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)建穩(wěn)定的水-鹽濃度梯度增強離子通量。該結(jié)構(gòu)在上下兩層分別引入吸濕能力顯著不同的鋰鹽，形成濕度響應(yīng)差異化的雙層傳輸介質(zhì)。高吸濕性層吸水后鹽濃度降低，低吸濕性層因吸水較少保持較高鹽濃度，由此建立了鹽濃度梯度與對應(yīng)的滲透壓差。在水分持續(xù)吸附-解吸過程中，濃度梯度驅(qū)動離子由高濃度側(cè)向低濃度側(cè)定向擴散，形成穩(wěn)定的水-離子耦合傳輸路徑。該結(jié)構(gòu)實質(zhì)上通過調(diào)控界面?zhèn)髻|(zhì)阻力與水合動力學，突破傳統(tǒng)器件中水分迅速均化導(dǎo)致性能衰減的限制，使水-鹽梯度得以長期維持。器件在相對濕度60%條件下峰值電流密度達到96.4 mA cm-2，連續(xù)工作時間由傳統(tǒng)不足100h提升至500h。相關(guān)成果以“一種受河口啟發(fā)的雙梯度水凝膠：可穩(wěn)定且可擴展地收集水分能量，單模組輸出高達100毫安”（An estuarine-inspired dual-gradient hydrogel for stable and scalable moisture energy harvesting up to a single-module 100 mA output）為題發(fā)表于《能源與環(huán)境科學》（Energy & Environmental Science）。論文第一作者為能源與動力學院博士生苗潔，通訊作者為李林，王昊楠。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D5EE04508H

針對工作溫域窄的問題，團隊進一步提出分子引聚策略，通過分子尺度相互作用調(diào)控水分相變行為與離子傳輸特性。該策略構(gòu)建有機鹽-有機分子復(fù)合體系，使有機陰離子在有機分子周圍形成穩(wěn)定團簇結(jié)構(gòu)。團簇化后陰離子表面電荷增強，顯著提高其水分子結(jié)合能力，從而提高水的有效相變能壘，抑制高溫條件下的快速蒸發(fā)損失及低溫條件下的凍結(jié)失效。同時，陰離子被有機分子部分聚集后，體系中形成更多可自由遷移的陽離子載流子，降低離子間靜電屏蔽效應(yīng)，提升離子遷移率與有效電導(dǎo)率。通過協(xié)同調(diào)控傳熱過程中的相變動力學與傳質(zhì)過程中的離子遷移行為，相關(guān)水凝膠水伏器件的工作溫域拓展至-35 °C至80 °C，功率密度較現(xiàn)有技術(shù)提升一個數(shù)量級。該水凝膠還具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，在極端溫度環(huán)境下仍能保持超過1000%的拉伸應(yīng)變率。相關(guān)成果以“分子簇聚技術(shù)實現(xiàn)-35°C至80°C的寬溫域高性能水伏發(fā)電”（Molecular clustering unlocks high performance hydrovoltaics across temperatures from ?35 °C to 80 °C）為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。論文第一作者為我校能源與動力學院博士生賀楠，通訊作者為李林，王昊楠。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-68133-1

上述成果為水伏發(fā)電技術(shù)的實際應(yīng)用與規(guī)?；茝V提供了關(guān)鍵支撐，展現(xiàn)出其在寬溫域、高輸出場景下的應(yīng)用潛力，有望推動該技術(shù)在無人平臺、低空經(jīng)濟及各類輕量級、分布式設(shè)備中發(fā)揮重要作用。以上成果我校均為唯一完成單位，研究得到國家自然科學基金青年B類項目（No. 52522603）、國家自然科學基金面上項目(No. 52376048)以及國家自然科學基金青年C類項目(No. 52306072)的支持。