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为解决水伏发电器件（HVGs）功率密度低、无法持续供电的问题，研究人员开发叶片基 HVGs（L-HVGs）。其可产生高达 1.47V 开路电压、4.68mA/cm2 短路电流密度和 390μW/cm2 功率密度，为绿色电子器件开发提供新方向。
水是地球上最丰富的资源之一，蕴含着巨大的能量潜力。然而，如何高效地将水能转化为电能一直是能源领域的重要挑战。传统的水伏发电器件（Hydrovoltaic Generators, HVGs）虽然具有利用水的离子运动发电的潜力，但普遍存在功率密度低、难以长时间稳定供电的问题，这极大限制了其实际应用。此外，大多数 HVGs 依赖合成材料，不仅成本高，还可能对环境造成负担。因此，开发高功率密度、可持续的生物基 HVGs 成为解决这些问题的关键。
为了突破现有 HVGs 的技术瓶颈，美国科尔盖特大学（Colgate University）的研究人员开展了以叶片为生物基材料的 HVGs 研究。他们的目标是利用叶片天然的微通道结构和化学特性，开发出高性能的水伏发电器件。经过一系列实验和优化，研究团队成功制备出叶片基水伏发电器件（Leaf-based HVGs, L-HVGs），并在《iScience》上发表了相关研究成果。该研究不仅显著提升了 HVGs 的性能，还为绿色电子器件的发展提供了新的思路和方向。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：
- 叶片预处理：将北方红橡树叶经氢氧化钠（NaOH）溶液处理 1 小时，以溶解纤维素并在叶片表面引入羟基（OH?）功能化基团，形成离子选择性微通道。
- 器件构建：将处理后的叶片夹在铝电极和碳布电极之间，形成工作面积为 3.5cm2 的器件，分别在空气和水下环境中测试其电学性能。
- 性能表征：通过测量开路电压（V?C）、短路电流（I?C）、电流 - 电压（I-V）曲线和电化学阻抗谱（EIS），分析器件的发电能力和离子传输机制。
设计与性能研究
研究人员通过不同处理条件（常规、加棉芯湿润、完全浸没）测试 L-HVGs 的性能。结果表明，浸没在水中的器件表现最佳，初始开路电压达 1.47V，短路电流密度为 4.68mA/cm2，功率密度高达 390μW/cm2（3.9W/m2），且能在 100 小时内维持较高的电压和电流输出。相比之下，常规器件和加棉芯器件的性能随时间下降较快，这表明持续的水分供应对维持器件性能至关重要。
表征分析
NaOH 处理是 L-HVGs 性能提升的关键。扫描电子显微镜（SEM）显示，处理后的叶片表面从光滑变为多孔结构，原子力显微镜（AFM）测得表面粗糙度从 82nm 增加到 213nm，表明 NaOH 蚀刻增加了叶片的表面积和孔隙率。接触角测量显示，处理后叶片的亲水性显著提高（接触角从 61.89° 降至 7.6°），证实羟基功能化使叶片表面具有强亲水性。阻抗谱分析表明，处理后的器件阻抗比未处理的低两个数量级，说明离子传输效率显著提升。
环境因素影响
研究发现，不对称电极（铝和碳布）的功函数差异对器件性能至关重要，而溶液的 pH 和极性也会影响离子传输。低 pH 溶液会中和羟基基团，降低离子选择性；高极性溶液（如水）则有利于离子迁移。此外，叶片的多层堆叠会导致微通道错位，降低性能，表明连续的微通道结构对高效离子传输至关重要。
作用机制
L-HVGs 的工作机制主要包括以下几点：
- 离子选择性传输：羟基功能化的微通道允许氢离子（H?）优先通过，同时抑制氢氧根离子（OH?），形成流动电位。
- 电极功函数差异：铝电极（低功函数）与碳布电极（高功函数）之间的电场驱动 H?向铝电极移动，形成电荷梯度。
- 氧化还原反应：低 pH 环境下，铝电极溶解（Al→Al3?+3e?）释放电子，通过外电路产生电流。
应用与性能对比
L-HVGs 可快速充电商业超级电容器（9400μF 电容在 15 秒内充电至 1V），并为 LED 和环境传感器供电。与其他 HVGs 相比，其功率密度、开路电压和短路电流均显著领先，无论是无机材料、生物基材料还是混合材料器件。例如，其功率密度是 2024 年 Hu 等人报道的仿生 HVGs（14.4μW/cm2）的 27 倍，展现出显著的性能优势。
结论与意义
这项研究首次证明，通过合理设计生物基材料（如叶片）的天然结构和化学功能，可以开发出高性能的水伏发电器件。叶片中天然的蒸腾微通道经 NaOH 处理后形成离子选择性通道，结合不对称电极的功函数差异和氧化还原反应，实现了高效的水能 - 电能转换。L-HVGs 不仅具有高功率密度和长寿命，还具有生物可降解、低成本的优势，为物联网（IoT）设备、可穿戴电子和环境监测等领域提供了可持续的能源解决方案。该研究为生物基电子器件的发展开辟了新路径，有望推动绿色能源和环保技术的进步。
需要注意的是，研究仍存在一定局限性，如未直接量化 NaOH 处理时间与孔径的关系，且仅使用了北方红橡树叶，未来可进一步探索更多植物物种的适用性，以优化器件性能和扩大应用范围。
