东南大学AM：水泥也能“吸湿发电”：Janus双层结构让功率密度突破100 µW/cm²

水、住所和能源是人类文明的基本支柱，水泥作为建筑与基础设施的主要结构材料，长期与环境湿气保持接触，通过湿气发电（MEG）将环境湿气能转化为电能，为抵消建筑能耗提供了有前景的途径。 然而，现有MEG材料多以软碳链基有机聚合物或蛋白网络为主，氢键对其结构完整性不可或缺，削弱氢键网络以加速水传输往往伴随结构崩塌风险；同时，材料两侧湿度梯度受热力学饱和限制，难以继续提高，导致器件功率密度长期停滞，难以满足实际高功率需求。 针对这一挑战， 东南大学 周扬课题组 开发了一种Janus双层波特兰水泥基湿气发电器（CMEG），通过简便的非对称酸刻蚀策略将MEG拓展至水泥基材料体系 。 该器件利用层间吸湿性陡峭梯度驱动水分子单向扩散，并通过刻蚀诱导氢键网络断裂，解锁顶层超快水扩散、加速选择性离子向底层传输，实现723 µA/cm²的短路电流密度和112.5 µW/cm²的输出功率密度，同时保持优异可扩展性、模块集成能力以及与酸刻蚀前几乎相同的机械强度。相关论文以“A Janus Bilayer Portland Cement-Based Moisture-Electricity Generator via Hydrogen-Bonding Network Regulation”为题，发表在 Advanced Materials上。 研究以Janus双层结构为设计核心，将CMEG集成于自供电建筑场景（图1a）：刻蚀水泥层内的纳米孔网络负责吸湿和选择性离子传输（图1b），而盐酸刻蚀使原始水泥中的强氢键网络崩塌，促进水和氯离子在纳米通道内快速传输（图1c）。 这一设计把材料结构、水分传输与离子选择性传输统一到同一器件架构中。 图1 CMEG的设计、机理与应用示意图。(a) 集成于自供电建筑中的Janus结构CMEG。(b) 刻蚀水泥层内的纳米孔网络，可实现吸湿和选择性离子传输。(c) 高效的水与离子传输机理。盐酸使原始水泥中强氢键网络崩塌，促进水和氯离子在纳米通道内快速传输。 在制备与微结构调控上，研究者对预制双层水泥进行定向盐酸刻蚀，形成上层高度纳米多孔、富含亲水官能团的刻蚀水泥层（ECL）与下层弱吸湿的导电水泥层（CCL）构成的Janus结构（图2a）。SEM和EDS（图2b）显示Ca²⁺浸出与硅富集，AC-STEM（图2c）和氮气吸附（图2d）显示纳米孔道与孔体积差异，XPS（图2e）显示Si─O─H富集；原位ATR-FTIR和DVS（图2g-h）进一步表明ECL持续吸湿。 ECL在90% RH下吸水量达到CCL的20倍，从而在双层间建立大水分浓度梯度。 图2 CMEG的微观结构与水吸附行为。(a) CMEG的Janus结构示意图。放大图显示水吸附在ECL表面的分子结构。(b) CMEG横截面SEM图像及相应Si和Ca的EDS元素分布图（比例尺均为50 µm）。(c) ECL的AC-STEM图像，虚线勾勒出纳米通道。(d) 通过氮气吸附评价CMEG中ECL和CCL的孔隙率。插图显示1–5 nm范围内的孔径分布。(e) CMEG中ECL和CCL的O 1s XPS谱。(f) 硅酸与水之间的IRI与Sign(λ₂)ρ散点图。插图显示硅酸与水相互作用的分子结构及Sign(λ₂)ρ映射的IRI等值面，箭头指向不同相互作用强度对应的Sign(λ₂)ρ值。色条表示显著吸引（蓝色）、范德华相互作用（灰色）和显著排斥（红色）。(g) CMEG的ECL在吸水过程中的原位ATR-FTIR谱。(h) 比较ECL和CCL吸水量的DVS曲线。灰线显示程序控制的相对蒸气压(P/P₀)曲线。 在性能评价中，研究采用惰性对称碳电极排除寄生电化学效应（图3a）。CMEG在室内环境湿度下开路电压随ECL吸湿逐渐升高，约50 h后稳定于约420 mV（图3b），并长期保持输出稳定。在65% RH下优化养护龄期和酸用量（图3c-d）后，器件在28天养护、每个样品25 g HCl刻蚀条件下，于70% RH下实现723 µA/cm²的短路电流密度和112.5 µW/cm²的最大功率密度（图3e-f）。 该短路电流密度是采用惰性对称电极的MEG器件中报道的最高值，CMEG也是首个瞬态输出功率密度超过100 µW/cm²的MEG（图3g），同时保持高机械强度和原料丰富、制备简便、可扩展等优势。 图3 CMEG的电性能。(a) CMEG输出性能测量装置示意图。(b) 室内环境湿度下CMEG的Voc随时间曲线。插图显示Voc和RH随时间曲线。(c) 不同水泥养护龄期下CMEG在65% RH测得的Voc和Pmax。CMEG每个样品使用20 g HCl制备。(d) 每个样品不同HCl含量下在65% RH测得的CMEG的Voc和Pmax。CMEG养护龄期为42天。(e) 在70% RH下CMEG输出电压