吕威教授课题组在水伏发电（Hydrovoltaic）领域持续发力，围绕湿气发电机（MEG）、水伏器件等核心方向开展系统性研究，接连在 Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Journal of Colloid and Interface Science等国际顶级期刊发表成果。

团队针对传统水伏器件离子梯度饱和、低温失效、输出功率低、依赖高湿度等关键瓶颈，通过创新材料设计、结构优化与机理突破，实现了水伏发电性能与应用场景的双重跨越，为新能源技术的实际落地提供重要支撑。

一、 光-湿协同，破解传统 MEG 性能衰减难题

传统湿气发电器（MEG）在长时间运行中容易出现离子浓度梯度饱和与输出性能衰减，严重限制了器件的稳定性与持续发电能力。针对这一难题，课题组提出了光-湿协同驱动的光子型湿气发电机（P-MEG），构建出兼具光吸收与湿气调控功能的“三层结构”。该器件由 CdS/CdSe 量子点敏化 TiO₂ 光敏层、电解质水凝胶层与 CSH 吸湿层组成，可在光照下实现光能与湿气能的协同转化。光生载流子在电极界面上驱动 H⁺ 还原为 H₂，从而动态重构两电极间的离子浓度梯度，持续维持高效电势差，实现稳定输出。
该研究成果发表在 Advanced Materials。
相关链接： https://doi.org/10.1002/adma.202509043

二、 全泡沫不对称电极，实现 “方向无关” 水伏发电

为解决传统电极阻碍水蒸发、器件依赖单向蒸发方向的问题，课题组提出 “全泡沫不对称电极” 设计，开发出方向无关的 HEG（hydrovoltaic electricity generator）。器件以泡沫铁为基底，复合 ZIF-67（金属有机框架材料）与碳化三聚氰胺泡沫形成 FI/ZIF67@CMF 阴极，CNTs 修饰碳布为阳极，三聚氰胺泡沫为分隔层，构建全泡沫结构。

该研究成果发表在 Nature Communications。
相关链接： https://doi.org/10.1038/S41467-025-64644-z

三、 零下 35℃稳定发电！激光雕刻技术解锁低温水伏应用

针对水伏器件在低温环境下易结冰、离子迁移受阻的难题，课题组提出 “激光雕刻 hygroscopic hydrogel 阵列” 方案，开发出可在零下环境工作的 MEG。器件以激光雕刻碳膜为电路框架，改性低温水凝胶为吸湿材料，构建不对称电极，并创新性引入 “振荡电路理论” 解释吸湿 - 蒸发 - 离子迁移对输出电流的影响。

该研究成果发表在 ACS Nano。
相关链接： https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14996

四、 工作机制从流动电势转向蒸发电势，刷新水伏功率密度纪录

课题组开发了基于 Zn–碳布不对称结构 的水伏发电装置，揭示了由“蒸发电势（Evaporating Potential）”主导的能量转换机理。研究表明，水分子在蒸发过程中会扰动碳材料表面电荷分布，产生局部电子密度变化；被激发的电子与界面水分子、氧气发生反应生成 OH⁻，在金属电极与碳电极之间形成稳定的离子迁移与电流输出。器件仅依靠水与空气即可持续工作，功率密度高达 142.72 μW/cm²，可兼容多种金属电极（Cu、Al、Fe 等）。3 个单元可驱动计时器，8 个单元即可点亮电子表，展现出优异的实用性与环境适应性。

该研究成果发表在Advanced Science。
相关链接： https://doi.org/10.1002/advs.202302941

课题组聚焦 “提升水伏器件功率密度” 目标，设计出不对称三明治结构器件：以 CNTs/CB/PVDF 修饰碳布为顶电极，铝片为底电极，多孔滤纸为分隔层。通过等离子体处理增强电极亲水性，结合碳纳米材料的高比表面积与金属电极的高电势差，器件在室温下实现 0.71 V 开路电压、700 μA/cm² 电流密度，峰值功率密度达 124.5 μW/cm²（体积功率密度 2075 μW/cm³），刷新同类器件纪录。

该研究成果发表在 Advanced Functional Materials。
相关链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202312666

五、 多功能集成：从热管理到健康监测，拓展水伏应用边界

除性能突破外，课题组还注重水伏器件的 “多功能化” 开发，团队设计 PA/GI/PVA@CC 双层水凝胶 MEG，单个 1 cm² 器件输出 1.20 V 电压、0.45 mA 电流，功率密度达 85 μW/cm²，且在 - 21.9~58.5℃宽温域稳定工作。更特别的是，该器件可直接贴合商用高功率 LED 表面，通过水蒸发实现热管理，使 LED 温度降低近 22℃，同时利用废热提升自身发电效率，实现 “发电 - 散热” 协同。

该研究成果发表在Journal of Colloid and Interface Science。
相关链接： https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.02.094

团队开发 “自储水型 SWS-MEG”，以 PSS/GO/GI/PVA@Fab 为质子释放层，锡铋合金液态金属负载石墨纤维为储水电极。器件摆脱对高湿度依赖，在 15% RH、25℃下，储水后输出 0.55 V 电压、7.08 μA 电流，功率密度 1.14 μW/cm²，且在 - 17.3~71.8℃宽温域稳定工作，可集成于口罩监测呼吸、利用汗液发电，实现 “自供电健康监测”。

该研究成果发表在Advanced Functional Materials。
相关链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202407204

总结：从基础研究到应用落地，吕威课题组引领水伏技术创新

长春工业大学吕威课题组的系列成果，不仅在水伏发电机理（光 - 湿协同、蒸发电势、离子梯度重构）上实现重要突破，更通过材料创新（光敏量子点、低温水凝胶、ZIF-67、全泡沫电极）与结构设计（激光雕刻、三明治结构、自储水阵列），攻克了传统器件 “性能衰减、低温失效、依赖高湿度、功能单一” 等瓶颈。团队的研究既为水伏发电领域提供关键理论支撑，也推动该技术向 “全天气工作、多功能集成、可穿戴 / 低温 / 极端环境应用” 方向迈进，为新能源技术从实验室走向实际场景奠定坚实基础。

未来，随着器件集成度提升与成本控制，这些创新水伏技术有望在便携式电子设备供电、物联网传感器、极端环境能源补给等领域发挥重要作用，为 “绿色低碳” 能源转型提供新选择。