近日，能源与动力学院极端条件热物理及能源系统团队唐大伟教授、李林教授、王昊楠副教授在水能利用领域取得重要进展，相关成果先后发表于《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）和《自然·通讯》（Nature Communications）。

水伏发电技术基于自然界水文循环中的水分迁移与相变过程进行能量转换，是面向分布式可再生能源的重要发展方向。与依赖太阳辐照或风力资源的技术不同，水伏发电利用大气湿度梯度、蒸发–冷凝、降雨渗透、自然水流及植物蒸腾等常态化水分输运过程，通过水分化学势差驱动离子迁移，实现近全天候、全地域的能量获取。水文循环所涉及的蒸发潜热与水分迁移能量规模远高于全球年能源消耗总量，理论开发潜力巨大。然而，该技术长期面临输出电流密度低、工作温域受限等关键瓶颈，制约其规模化应用。

针对输出电流低的问题，研究团队提出了非对称浸润性双层结构，通过构建稳定的水-盐浓度梯度增强离子通量。该结构在上下两层分别引入吸湿能力显著不同的锂盐，形成湿度响应差异化的双层传输介质。高吸湿性层吸水后盐浓度降低，低吸湿性层因吸水较少保持较高盐浓度，由此建立了盐浓度梯度与对应的渗透压差。在水分持续吸附-解吸过程中，浓度梯度驱动离子由高浓度侧向低浓度侧定向扩散，形成稳定的水-离子耦合传输路径。该结构实质上通过调控界面传质阻力与水合动力学，突破传统器件中水分迅速均化导致性能衰减的限制，使水-盐梯度得以长期维持。器件在相对湿度60%条件下峰值电流密度达到96.4 mA cm^-2，连续工作时间由传统不足100h提升至500h。相关成果以“一种受河口启发的双梯度水凝胶：可稳定且可扩展地收集水分能量，单模组输出高达100毫安”（An estuarine-inspired dual-gradient hydrogel for stable and scalable moisture energy harvesting up to a single-module 100 mA output）为题发表于《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）。论文第一作者为能源与动力学院博士生苗洁，通讯作者为李林，王昊楠。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D5EE04508H

针对工作温域窄的问题，团队进一步提出分子引聚策略，通过分子尺度相互作用调控水分相变行为与离子传输特性。该策略构建有机盐-有机分子复合体系，使有机阴离子在有机分子周围形成稳定团簇结构。团簇化后阴离子表面电荷增强，显著提高其水分子结合能力，从而提高水的有效相变能垒，抑制高温条件下的快速蒸发损失及低温条件下的冻结失效。同时，阴离子被有机分子部分聚集后，体系中形成更多可自由迁移的阳离子载流子，降低离子间静电屏蔽效应，提升离子迁移率与有效电导率。通过协同调控传热过程中的相变动力学与传质过程中的离子迁移行为，相关水凝胶水伏器件的工作温域拓展至-35 °C至80 °C，功率密度较现有技术提升一个数量级。该水凝胶还具备优异的热稳定性和机械稳定性，在极端温度环境下仍能保持超过1000%的拉伸应变率。相关成果以“分子簇聚技术实现-35°C至80°C的宽温域高性能水伏发电”（Molecular clustering unlocks high performance hydrovoltaics across temperatures from −35 °C to 80 °C）为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。论文第一作者为我校能源与动力学院博士生贺楠，通讯作者为李林，王昊楠。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-68133-1

上述成果为水伏发电技术的实际应用与规模化推广提供了关键支撑，展现出其在宽温域、高输出场景下的应用潜力，有望推动该技术在无人平台、低空经济及各类轻量级、分布式设备中发挥重要作用。以上成果我校均为唯一完成单位，研究得到国家自然科学基金青年B类项目（No. 52522603）、国家自然科学基金面上项目(No. 52376048)以及国家自然科学基金青年C类项目(No. 52306072)的支持。