【Nat. Commun.】用盐“编程”水凝胶,发电性能直接翻倍

湿气能量收集技术可将大气中的水循环直接转化为电能，为分布式清洁能源提供了新思路。其核心在于设计能高效控制水与离子传输的纳米通道。然而，现有材料难以同时兼顾高离子电导率、优异离子选择性和长期机械稳定性：纳米尺度通道选择性高但通量低；微米尺度通道通量高但选择性差；且材料在动态吸湿-解吸过程中易发生溶胀或结构坍塌。因此，如何通过精确的孔道结构设计，协同优化传质动力学与界面稳定性，从而突破性能瓶颈，是开发下一代高性能湿气发电器的关键挑战。

    西南交通大学团队受霍夫迈斯特序列（离子特异性效应）启发，提出了一种冷冻辅助盐析策略，精细构建了具有微-介-大孔多级定向通道的聚乙烯醇/MXene双层水凝胶膜。该策略利用不同盐离子的盐析效应，在分子水平上调控聚合物链的聚集与结晶，实现了孔道尺寸从亚纳米到微米尺度的有序排列。所得器件在45%湿度下，纯水伏效应输出功率达11.4 µW cm⁻²，结合活性铝电极后更提升至146 µW cm⁻²，性能远超多数同类器件。该研究首次系统揭示了盐离子种类、孔道结构与发电性能之间的定量关联，为高性能湿气发电材料的设计提供了全新范式。

1. 创新策略：离子“编程”多级孔道

    受自然界中离子特异性效应启发，研究团队提出了“冷冻辅助盐析”的创新制备策略。通过将材料在特定盐溶液（如柠檬酸钠）中浸泡并诱导结晶，成功在双层水凝胶中构建了从亚纳米到微米尺度的垂直有序、相互贯通的多级孔道网络。这种结构如同为水分子和离子修建了分层的“高速公路网”，为高效传质与能量转换奠定了理想的物理基础。

2. 核心发现：性能严格遵循离子序列

   研究发现，器件的发电性能与经典的“霍夫迈斯特离子序列”惊人一致。强盐析离子（如柠檬酸根）能诱导形成更致密、更坚韧的凝胶网络，带来更高的机械强度（抗压强度提升7倍）和更丰富的微/介孔结构。这表明，仅通过选择不同的盐离子，就能像使用“编程密码”一样，可预测地调控材料的最终性能。

3. 性能优化：多因素协同的峰值输出

    系统实验揭示了最优性能的“配方”。在45%湿度下，当盐离子为柠檬酸盐、浓度为1M、MXene含量为60%、吸湿盐LiCl浓度为0.5M时，器件性能达到峰值。其纯水伏效应功率密度达11.4 µW cm⁻²；当结合活性铝电极后，功率密度跃升至146 µW cm⁻²，展现出卓越的能量转换效率。

4. 机制揭示：微/介孔是高性能的关键

    通过多尺度表征，研究定量揭示了高性能的核心机制。强盐析处理的水凝胶具有最大的比表面积和最高的微/介孔比例（>90%）。这不仅赋予了其超亲水性和快速吸水能力，更同时实现了高离子电导率与高离子选择性（整流比>30），成功协同了传统上难以兼得的几个关键性能。

5. 应用演示：从稳定输出到驱动器件

    该器件展现出良好的应用潜力。单个器件可稳定连续工作，其输出可通过串并联线性放大（如6个串联电压达5.9V）。集成后的器件能够直接为皮肤状态检测仪、温湿度显示器等小型电子设备供电，证明了其在柔性可穿戴电子与环境传感领域的实用前景。