电鳗仿生型湿气驱动发电机（EMEG）实现自持续水电解：低界面电阻与双离子协同扩散机制

本研究受电鳗发电细胞（electrocyte）启发，设计出具有连续界面相的Janus薄膜（EMEG），通过降低离子跨界面扩散阻力（r1-2）和利用Na+/Cl?双离子协同效应，实现0.8 V电压和150 μA电流的持续输出（1000小时），并成功应用于自供电智能手表救援系统及湿气驱动水电解产氢（35 mL m?2 h?1），为绿色能源开发提供新范式。

　　

Abstract

湿气驱动发电机（MEG）通过捕获大气湿气中的化学势能发电，但传统设计受限于离子扩散阻力大、电流输出微弱（微安级）。电鳗（Electrophorus electricus）的发电细胞（electrocyte）通过选择性离子通道和低阻细胞质实现高效放电，为MEG设计提供灵感。

INTRODUCTION

早期MEG依赖功能梯度薄膜产生间歇性电能，而均质材料（如聚电解质）虽能持续发电但电流有限。电鳗发电细胞的独特结构——两膜分离设计（Na⁺/K⁺选择性通道）与低阻细胞质——启发了新型Janus薄膜的开发。

RESULTS AND DISCUSSION

仿生设计

EMEG采用海藻酸钠（SA）/聚乙烯醇（PVA）聚阴离子层与羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖（HACC）聚阳离子层，通过悬浮-浇铸-干燥法构建连续界面相（区域II），模拟电鳗细胞质的低阻环境（图1）。该界面相显著降低离子迁移阻力（r_1-2），使离子电导率提升至传统双层设计（BMEG）的2.3倍。

性能突破

单EMEG单元在25°C、95% RH下输出0.8 V电压和150 μA电流（图2），功率密度达1736 W m^?3。分子动力学模拟显示，Na⁺与Cl^?的库仑吸引作用使离子对扩散速度提升4倍（图3e），而连续界面相使元素分布梯度Δc_1-2^*降至0.28（BMEG为0.72）。

应用验证

集成100个EMEG单元可输出60 V电压，驱动LED和计算器（图4）。柔性EMEG腕带（6串联）为智能手表无线发射器供电，弯曲135°时性能保持91%。更突破性的是，80个EMEG组成的浮式系统实现自持续水电解，产氢速率35 mL m^?2 h^?1（图5），无需外部电源。

CONCLUSIONS

EMEG通过仿生界面相设计和双离子协同机制，解决了湿气发电机高电阻、低电流的核心瓶颈。其环境适应性（5°C–65°C，15%–95% RH）和模块化集成能力，为分布式能源与碳中和目标提供了创新解决方案。

METHODS

关键制备步骤包括：SA/PVA与HACC溶液分步浇铸形成120 μm厚Janus膜，界面相厚度通过HACC部分溶解SA/PVA层调控。性能测试使用CHI 660E电化学工作站，元素分布通过SEM-EDS验证。

（注：全文数据与结论均源自原文实验，未添加主观推断。）