水伏發電技術作為一種新興綠色能源解決方案，可將環境濕氣、蒸發或水滴等低品位水能轉化為電能，無需外部供能或極端條件，在可穿戴電子設備和自供能傳感領域極具潛力。然而，納米多孔水凝膠的可控制備及其微形貌精確表征仍是關鍵挑戰，傳統方法（如冷凍鑄造）難以實現納米級孔尺寸調控（僅達微米級），且脫水表征會破壞其天然多孔結構，阻礙了受限水通道內離子遷移機制的深入研究。

蘇州大學劉瑞遠特聘教授團隊開發了一種氫鍵交聯策略，通過γ-聚谷氨酸（PGA）和羥基化碳納米管（CNTs）與聚丙烯酰胺（PAM）復合，成功制備出孔徑在78–161 nm范圍內可調的納米多孔水凝膠。該水凝膠基水伏發電機（HHEG）在0.1 M NaCl液滴刺激下，開路電壓（ Voc ）達1.05 V，短路電流（Isc）達100 μA，性能超越多數同類器件。研究通過冷凍電鏡證實了水合納米通道的存在，并揭示孔徑縮小可通過增強流勢效應提升輸出性能?；陔x子濃度響應特性，團隊進一步開發出可視化汗液監測貼片，為高效水伏系統設計提供了新思路。

器件設計與結構表征

研究團隊設計了一種柔性三明治結構器件（圖1a）：頂層為等離子處理的親水性碳織物電極，中間是PAM/PGA/CNT（PPC）雙網絡水凝膠活性層，底層為鍍金PDMS電極。水凝膠通過PAM的共價網絡和PGA的物理纏結構成基礎框架，羥基化CNTs則通過氫鍵動態交聯聚合物鏈上的–CONH?和–COOH基團（圖1b,c），形成高密度網絡。冷凍電鏡圖像（圖1f）清晰顯示水凝膠內平均78 nm的介孔結構，這些納米通道為離子遷移提供了關鍵路徑。

圖1. HHEGs的結構示意圖與概念 a) 器件結構及發電過程示意圖 b) PGA與PAM雙網絡水凝膠示意圖 c) 羥基化CNTs通過氫鍵與聚合物鏈官能團交聯 d) HHEGs光學照片（2 × 2 cm2） e) HHEGs截面SEM圖像 f) PPC水凝膠高倍冷凍電鏡圖像

孔徑調控機制與性能驗證

通過對比純PAM水凝膠（P）、PAM/PGA水凝膠（PP）及PPC水凝膠發現：純共價交聯的P水凝膠平均孔徑達161 nm（圖2a,d）；引入PGA后，氫鍵作用使PP水凝膠孔徑降至100 nm（圖2b,e）；而CNTs的加入進一步通過多重氫鍵將PPC水凝膠孔徑壓縮至78 nm（圖2c,f）。壓汞法（MIP）測試（圖2g,h）佐證了孔徑減小的趨勢（PPC平均孔徑13.9 nm）。值得注意的是，冷凍電鏡因避免脫水效應，相比傳統SEM（圖S11）更真實保留了水合狀態結構。伴隨孔徑縮小和表面電荷密度提升（Zeta電位從–12.3 mV降至–64.9 mV），器件輸出電壓從P水凝膠的0.3 V階梯式躍升至PPC的0.9 V（圖2i）。

圖2. 水凝膠表征 a-c) 冷凍電鏡圖像：a) P水凝膠，b) PP水凝膠，c) PPC水凝膠 d-f) 冷凍電鏡測得的孔徑分布：d) P水凝膠，e) PP水凝膠，f) PPC水凝膠 g) 水凝膠壓汞法微分曲線 h) MIP分析的水凝膠平均孔徑 i) 不同水凝膠HHEGs的開路電壓（ Voc）與短路電流（ Isc）

發電機理與模擬驗證

研究提出流勢效應主導的發電機制（圖3a）：當液滴接觸水凝膠時，水流沿納米通道向下滲透，帶負電的孔道壁通過靜電篩選效應阻擋陰離子，選擇性促進陽離子遷移（圖3b）。數值模擬表明：孔徑從161 nm縮小至78 nm時，雙電層（EDL）重疊效應增強，促使H?離子在通道表面富集，OH?離子在頂端聚集（圖3c,d）。實驗驗證了陽離子水合半徑對電壓的影響（K? > Na? > Li?），而陰離子因遷移受阻幾乎無影響（圖3e,f）。EDS元素映射（圖3g）進一步顯示Na?均勻分布而Cl?富集于頂端，證實了離子分離機制。

圖3. HHEGs的工作機制 a) 水凝膠網絡內納米通道及水流方向示意圖 b) 水凝膠納米通道離子遷移過程： i) 大通道尺寸/低電荷密度的P水凝膠 ii) 中等通道尺寸/電荷密度的PP水凝膠 iii) 小通道尺寸/高電荷密度的PPC水凝膠 c) 不同尺寸納米通道的離子濃度模擬： i) H?離子濃度分布 ii) OH?離子濃度分布 d) 不同表面電荷密度納米通道的離子濃度模擬： i) H?離子濃度分布 ii) OH?離子濃度分布 e) HHEG對不同水合半徑金屬陽離子的電響應 f) HHEG對不同水合半徑鹵素陰離子的電響應 g) 工作1000秒后PPC水凝膠頂部/底部Na、Cl元素EDS分布

電學性能與應用展示

優化后的PPC基器件在25°C下輸出1.05 V電壓和100 μA電流（圖4f），且性能不受濕度影響（圖4a），但高溫會加速液滴蒸發導致電壓下降（圖4b）。電壓隨液滴體積和離子濃度增加而提升（圖4c,d），對高極性溶劑響應更強（圖4e）。串聯16個器件可輸出14.5 V電壓，成功點亮LED并為電子表供電（圖S30–S32）?；陔x子濃度-電壓的線性關系，團隊開發出可視化汗液監測貼片（圖5a–c）：將HHEG傳感器與微控制器（MCU）、電致變色陣列集成，運動10分鐘（低離子濃度）激活2個像素，1小時（高濃度）激活3個像素（圖5d–f），實現電解質流失的實時可視化預警。

圖4. PPC基HHEG的電學性能 a) 不同濕度（RH）下的Voc變化 b) 不同環境溫度下的電壓-時間曲線 c) 液滴體積（5–200 μL）對 Voc 的影響 d) NaCl濃度對Voc的影響 e) 不同極性溶劑液滴的穩定Voc f) Voc和 Isc隨時間變化曲線 g) 外接電阻（101–10? Ω）對電輸出的影響 h) 外電路功率密度隨電阻變化關系 i) 已報道HHEGs與水滴基水伏發電機性能對比

圖5. 可視化汗液監測應用 a) 汗液監測貼片組件分布示意圖 b) 未變色狀態的貼片實物圖 c) 系統流程圖：HHEG傳感器→MCU(ADC)→電致變色陣列 d) 電解質濃度與傳感器輸出對應的顯示變化 e) 電壓信號（綠）及對應Na?濃度（藍）與像素點亮數量關系 f) 工作狀態貼片圖像： i) 運動10分鐘（低電解質濃度汗液） ii) 運動1小時（高電解質濃度汗液）

總結與展望

該研究通過氫鍵交聯策略實現了水凝膠納米孔徑的精準調控，結合冷凍電鏡與流勢理論揭示了孔徑縮小提升發電性能的機制，為高效水伏系統設計提供了新范式。集成化的汗液監測貼片驗證了其在可穿戴傳感領域的實用潛力，未來有望推動水伏技術在便攜式能源收集與健康監測中的規?；瘧谩?/p>

來源：高分子科學前沿

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