现如今，为了缓解因化石燃料大量消耗造成的环境污染和能源危机，可再生能源（如风能、太阳能、水能等）的研究引起了广泛关注。近年来，通过活性材料和水分子之间的相互作用将化学能转化为电能的湿气发电机（MEG）提供了一种新颖的发电策略。与复杂的风力和光伏发电机相比，MEG具有便携、体积小、成本低等优点，易于集成并为可穿戴电子设备供电。然而，MEG较低的短路电流和功率限制了其应用。因此，进一步发展MEG系统以提高其输出功率具有重要意义。

四川大学傅强教授、邓华教授等人受蕨类植物结构的启发，设计了一种仿生气凝胶IL-GO/GO@PVA作为MEG来收集能量。其中，聚乙烯醇胶体（PVA）作为“根”和“茎”来运输水分子，氧化石墨烯片（GO）作为“叶”通过与水的直接作用产生电能。此外，作者还通过增加比表面积（120.4 m2 g-1）和引入超高的离子密度梯度（从-35到+37 mV），进一步提高了MEG的输出性能，具有超高的开路电压（1.9V）和短路电流（82.5 μA），以及在连续输出的MEG中具有行业领先的功率密度（22.55 μW cm-2）。最后，作者演示了该MEG可以准确地响应环境和压力的变化，展现了其在自供电电子皮肤中的应用潜力。该研究以题为“Biomimetic Aerogel for Moisture-Induced Energy Harvesting and Self-Powered Electronic Skin”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【MEG的制备】

通过调节仿生气凝胶的结构和离子密度梯度，作者制造了高性能的水分驱动的能量收集装置。受蕨类植物的结构启发，PVA胶体作为根和茎以提供水分子的运输路径，而GO作为叶包裹在胶体表面，通过与水的直接作用产生能量。基于上述仿生结构，PVA树枝状胶体上具有不同电荷的高含量纳米填料，为带电离子的定向扩散赋予了更强的力量。IL-GO/GO@PVA中富GO、低GO、低IL-GO和富IL-GO区域的Zeta电位从-35到+37 eV逐渐增加，表明在气凝胶中成功构建了超高离子密度梯度结构。此外，得益于PVA的高孔隙率、大比表面积和超强的亲水性，GO@PVA气凝胶在水溶液中放置300秒后，其吸水率可以达到1200%，显示出良好的吸水性。

图1 IL-GO的制备与表征

图2 MEG的结构设计

【MEG的湿电性能】

通过改变IL-GO/GO@PVA气凝胶的表面积、风速、温度、太阳强度和相对湿度来调整气凝胶的蒸发率，可以进一步改善MEG的湿电输出性能。此外，增加盐溶液的浓度可以显著提高MEG系统的功率输出能力。在不同的NaCl浓度下，MEG的开路电压、短路电流和最大MEG功率分别为1.9 V、82.5 μA和155.9 μW，这进一步提高了MEG的发电能力。对于具有良好吸水能力的IL-GO/GO@PVA气凝胶，在水清洗后，气凝胶中几乎没有NaCl的残留物，这说明该MEG设备具有良好的耐盐性。与其他文献中报道的MEG相比，IL-GO/GO@PVA气凝胶同时具有高功率密度（≈22.55 µW cm-2）、能量密度（≈65.23 µWh cm-2）和能量转换效率（38.28%），其中MEG的功率密度超过了大多数报道的连续输出的MEGs。

图3 MEG的输出性能

【MEG的应用演示】

作者首先将该MEG应用于为各种商用低功率电子设备供电，如商用LED和计算器。其次，由于运动后有大量的人体汗液排出，具有超强吸水性的IL-GO/GO@PVA气凝胶可以通过吸收汗液产生持续能量输出。随着运动时间的增加，气凝胶所浸泡的汗液增多，其电压也从0.31 V增加到1.2 V。然后，该电子皮肤还可以对各种物理刺激做出反应，包括湿度、温度、风速和应变。此外，通过用聚二甲基硅氧烷封装含水的气凝胶，作者制作了一个自供电的应变感应装置。当对自供电传感器施加压力时，气凝胶中的水分子被排出，实现了水分子的单向流动，从而在自供电传感器中产生了电压输出。最后该气凝胶的自供电电子皮肤被贴在不同的人体位置，以监测肢体运动和生理活动。使用附着在面罩上的自供电电子皮肤可以很容易连续监测健康人类志愿者的呼吸，展现出了其用于呼吸检测的潜力。

图4 MEG的应用演示

总结：作者通过控制气凝胶的结构和离子密度梯度，开发了一种仿生气凝胶，用于水分诱导的能量采集。受蕨类植物的结构启发，PVA胶体作为根和茎以提供水分子的运输路径，而GO作为叶包裹在胶体表面，通过与水的直接作用产生能量。基于该独特的结构设计，该MEG可以产生≈1.9V的开路电压和≈82.5 μA的短路电流，最大功率密度高达22.55 μW cm-2。该MEG可直接为商业电子产品供电，并作为自供电电子皮肤来识别身体活动、肢体活动、压力大小和位置等，展示了其在可穿戴设备和人工智能领域的应用潜力。