基于原位聚合离子液体-MXene膜的高性能湿气驱动发电机：可持续能源转换新策略

为解决湿气驱动发电机(MPG)输出性能低和稳定性差的问题，研究人员开发了一种基于原位聚合离子液体(PIL)和MXene的复合膜结构。该设计通过优化离子迁移路径和湿度梯度响应，实现了0.65 V开路电压(VOC)和14.87 μW·cm-2功率密度(Pm)，并保持36小时持续发电。这项研究为环境湿度能量采集提供了高效稳定的解决方案。

　　

随着全球能源危机加剧，开发新型可再生能源技术成为当务之急。自然界中水循环过程蕴含巨大能量——每蒸发1克水可释放约2.4 kJ能量，这为湿气驱动发电机(Moisture-driven Power Generator, MPG)的开发提供了理论基础。然而现有MPG设备普遍面临输出电压低(V_OC<0.5 V)、电流稳定性差等瓶颈问题，严重制约其实际应用。

针对这一挑战，苏州大学的研究团队创新性地将二维材料MXene与聚合离子液体(Polymerized Ionic Liquid, PIL)相结合，开发出具有三层结构的原位聚合离子液体-MXene膜(PILM-M)。该成果发表在《Green Energy》期刊，通过独特的材料设计和机理研究，实现了性能突破。

研究采用四项关键技术：1) 真空过滤法制备MXene自组装膜；2) 紫外光引发原位自由基聚合固定离子液体；3) 密度泛函理论(DFT)计算分析材料相互作用机制；4) 系列环境适应性测试验证实际应用潜力。

【2.1. Preparation and Characterization of In-Situ Polymerized Ionic Liquid-MXene Membranes】
通过X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)证实Ti₃C₂ MXene与PIL的成功复合，XRD显示(002)晶面间距从7.7°扩大到6.6°，证明PIL有效插层。阻抗分析显示复合膜离子电导率显著提升。

【2.2. Optimized Power Performance of the MPG】
在75°C、4 cm湿度梯度条件下，单个器件实现0.65 V的V_OC和250 μA的短路电流(I_SC)。通过调节丙烯酸(AA)与离子液体单体比例(x=1.0时最佳)和膜厚度(>3 μm时饱和)，输出性能得到系统优化。

【2.3. Molecular mechanism of the moisture-driven power generation】
Zeta电位测试显示膜两侧存在+60.0 mV/-94.7 mV的电位差。DFT计算揭示Br^-与H₂O结合能(-0.603 eV)强于[VBIm]⁺(-0.387 eV)，而MXene与阳离子的电荷转移(0.59 e)抑制了阳离子迁移，共同促进离子定向分离。

【2.4. Integration and Application of In-Situ PILM-based MPG】
器件在土壤、草坪等自然环境中保持>0.4 V电压输出，30天后仍保留80%初始性能。四器件串联可实现2.25 V电压输出，成功驱动LED阵列显示"LZH"。

这项研究通过创新性的PILM-M结构设计，解决了MPG领域输出性能与稳定性难以兼顾的关键问题。MXene纳米限域效应稳定了离子传输通道，PIL提供高迁移率阴离子，PSS建立湿度梯度，三者协同作用实现了14.87 μW·cm^-2的优异功率密度。该工作不仅阐明了湿度梯度驱动离子迁移的分子机制，更通过模块化集成验证了实际应用可行性，为开发新一代环境友好型能源采集技术提供了重要参考。Hua Li、Jianmei Lu、Yanlei Wang等作者的系统性研究，标志着湿气能量转换技术向实用化迈出了关键一步。