研究人员制成可从室内湿气发电的“壁纸” 但目前仍是实验原型

2026年10月05日 13:58 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

纽约州立大学宾汉姆顿分校研究团队开发出一种纸基“湿电”壁纸,可吸收空气中的水分并产生少量电力,同时缓冲室内湿度变化。相关研究发表于《先进能源材料》。团队称,它的目标不是取代电网或屋顶太阳能,而是为环境传感器、无线模块等低功耗物联网设备供电,并探索让墙面兼具能量收集与湿度调节功能。

这款原型并非市售壁纸,而是以厚约340微米的实验室色谱纸为基材。每个约2厘米见方的发电单元分为三个区域:边缘涂有甘油,负责从空气中吸收水蒸气;中间区域含聚乙烯吡咯烷酮(PVP),以较小孔隙和较强吸水能力将水分向内引导;中心则经蜡处理,液态水难以通过,但水蒸气仍可穿过微孔逸出。研究人员以石墨油墨制作电极,并通过填有银浆的激光通孔将单元连接起来,线路藏在纸张背面。

发电来自持续的吸湿、内部输水和中心蒸发过程。水分子与甘油、纤维素及PVP中的化学基团作用后释放质子,边缘与中心之间形成离子浓度差,促使带电粒子移动并建立电压,再由石墨电极收集电流。团队将吸湿区布置在外围、蒸发区放在中央,让水分沿单张纸面定向移动;蜡层并非完全密封,而是选择性阻挡液态水、允许水蒸气排出,以维持湿度梯度。

在相对湿度80%的测试条件下,单个单元产生约0.34伏电压,峰值功率密度约为每平方厘米2.2微瓦,按整个4平方厘米单元占地面积折算则约为每平方厘米0.55微瓦;输出持续稳定约90分钟。湿度越高,单元吸收水分越多,输出整体也越强。串联10个单元时,80%相对湿度下电压约为2.9伏;并联10个单元的电流约为240微安。论文指出,整片壁纸占地面积口径的功率密度仍较低,现有几何设计也尚未针对总输出进行优化。

研究团队随后把1596个单元组成较大阵列,在约38%相对湿度下将室内湿度在15分钟内降至约32%,并演示为无线键盘供电;演示中使用了电容器储能,以便在键盘工作时释放电荷。较小规模实验中,35个单元曾为湿度传感器供电约15分钟。研究还在30×30×15厘米的密闭箱体内测试湿度缓冲,28个单元约4分钟将湿度从75%降至50%;吸湿后的纸张则可在干燥空气中释放水分,使湿度在约16分钟内从15%升至20%。这些结果来自受控实验,不能直接视为整间住宅的长期除湿或供电能力。

团队希望采用蜡印、喷涂、丝网印刷和激光加工等工艺实现全流程可印刷,认为未来有机会扩大生产。但目前使用的仍是实验室纸张,研究尚未证明产品级耐用性、长期循环稳定性或在不同通风条件下的实际家庭表现。研究人员也指出,较高湿度虽能增加吸湿发电,但当相对湿度接近90%至95%时,中心蒸发所需的水蒸气压差可能减弱,输出或趋于平台甚至下降。

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