自然环境中蕴藏着大量未开发的能源，因此从清洁、可再生的资源中获取电力已成为全球当务之急。一种新型的水蒸发诱导发电技术已引起广泛关注。本文，清华大学李震 教授团队在《Energy Fuels》期刊发表名为“Graphene/Carbon Nanotube (G/CNT)-Coated Porous Devices for Water Evaporation Electricity Generation and Humidistat Applications”的论文，研究提出了一种多孔发电装置，通过将石墨烯/碳纳米管（G/CNTs）直接涂覆在经水刺法制备的多孔纤维织物上，该装置可在水刺激下发电。
该方法形成了接近德拜长度的分级多孔结构，从而促进了电能的产生。仅需少量G/CNTs即可实现这种发电性能；功率越大并不一定越好。提高盐溶液浓度可显著增强发电性能。温度升高和相对湿度降低会驱动产生更多的电能。在25 °C和40% RH的条件下，每个装置平均开路电压为116 mV，短路电流为1202 nA。将该发电装置与恒湿设备集成，可应用于数据中心，实现环境管理与可再生能源发电的协同效应。在标准工作条件下，将发电模块作为湿膜使用的恒湿机，其加湿效率差异小于3%。随着环境温度和风量的增加，相对湿度会降低，这有利于提高加湿能力和发电能力。该集成系统实现了2.99 V的开路电压和1.83 mA的短路电流，为水蒸发发电的应用提供了新途径。
图1. (a) Fabrication of the material. (b) Porous material mixed with EVA and PP fabricated by the spunlaced process. (c) Size of the material. (d) Picture of the generation device.
综上所述，开发了一种发电材料，通过将石墨烯/碳纳米管（G/CNTs）涂层在通过纺丝工艺制备的多孔EVA/PP纤维基体上制成，能够在水刺激时产生电能。核心原理是将G/碳纳米管直接应用于该多孔基质，体现了基于水蒸发的发电技术的实际应用。纺丝过程产生丰富的孔隙，涂层G/碳纳米管进一步形成纳米到微米级的层级孔隙度，增强电双层（EDL）效应并促进电能产生。这种在纺丝穿刺多孔材料上的直接涂层方法适合大规模生产，简单、高效且经济。
本研究制备的电学器件实现了116 mV的开路电压和1202 nA的短路电流。应避免过量负载G/CNT，否则会导致整个器件导电性过强。使用盐溶液可提供丰富的离子，从而获得更高的电流和电压输出。环境与材料本体之间更大的电位差梯度可提升发电性能。最后，将这种水刺激发电方法集成到恒湿机中，可替代其中的“湿膜”，从而实现湿度控制与发电的同步进行。该集成系统实现了2.99 V的开路电压和1.83 mA的短路电流。在标准工作条件下，采用发电模块作为湿膜的恒湿机，其加湿效率差异小于3%。随着环境温度和风量的增加，相对湿度会降低，这有利于提高加湿能力和发电能力。本研究为发电应用及恒湿机的开发提供了新的见解。未来为提升性能可重点开展以下工作：
(i) 制备更多德拜长度尺度的孔隙；
(ii) 提高材料的表面电荷密度；
(iii) 提升电子元件的集成效率。
文献：https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5c06412
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