港中文&新加坡 A*STAR团队ACS Nano：首报“Evapolectrics”，让水蒸发也能发电

纳米人

2025-07-16

研究背景

水蒸发（evaporation）是地球水–能循环（water–energy cycle）中最重要的能量交换机制之一，每年释放的蒸发潜热（latent heat of vaporization）高达 10⁵ TJ。然而，这部分能量几乎从未被用于发电，长期被浪费掉。现有环境能收集技术，如水伏效应（hydrovoltaics）、摩擦电（triboelectric）、光伏（photovoltaics）等，功率密度通常低于 mW/m²，难以驱动现代电子设备。

与此同时，热电材料（thermoelectric materials）近年来性能大幅提升，zT 接近 3，热电发电器（thermoelectric generator, TEG）已经可以高效将温差（temperature gradient, ΔT）转化为电能。如何用简单、持续的自然过程，在环境条件下产生足够的温差驱动 TEG，是一个值得探索的方向。

研究亮点

此次香港中文大学 Ady Suwardi与新加坡科技研究局（A*STAR）、新加坡国立大学Jing Cao团队提出了“蒸发电”（evapolectrics）新概念。

他们在 TEG 上方的散热片表面引入了多孔石墨涂层，提高表面粗糙度和亲水性，增强蒸发能力。水蒸发带走热量，使上表面温度降至接近湿球温度（wet-bulb temperature），形成明显的湿球温差（wet-bulb depression），驱动 TEG 稳定发电。

关键成果包括：

1. 在风速 ~2.8 m/s 时，温差可达 6 °C，功率密度高达 4.2 W/m²，显著优于现有环境能收集技术。

2. 单模块连续稳定输出 ~2.72 mW，可维持 30 分钟以上。

3. 扩展为 7×7 阵列，直接为智能手机、手表等电子设备充电。

4. 与摩擦电、光伏、辐射冷却等技术相比，具有功率密度高、连续性好、环境适应性强的优势。

图1：蒸发电系统结构示意图。a)热电模块夹在两块散热片中间，上表面涂有多孔石墨层。b) 石墨涂层SEM 图像显示其多孔结构。c) 白光干涉测量显示石墨涂层后表面粗糙度增加。d) 热成像比较石墨涂层和未涂层散热片的温度分布。

图2：蒸发电系统温度梯度与风速关系。a) 石墨涂层和未涂层散热片热成像比较，涂层散热片温度分布更均匀且温度更低。b) 温度随时间变化曲线显示涂层散热片温差维持更持久。c) 不同风速下温差随时间衰减曲线。d) 最大温差随风速变化，显示在 2.0 m/s 以上逐渐达到平台期。

图3：单模块电输出特性。a) 比较水温对开路电压的影响，水温变化对系统贡献较小。b) 不同水温下开路电压时间曲线。c) 长时间稳定开路电压曲线。d) 不同风速和阻抗匹配条件下石墨涂层和未涂层的功率输出对比，石墨涂层提高了约 30%。

图4：蒸发电系统在不同环境条件下性能表现和规模化演示。a) 湿球温度–干球温度–相对湿度心理图（psychrometric chart）及实验条件范围。b) 相对湿度和干球温度不同组合下的最大功率输出。c) 蒸发电功率密度与其他环境能技术（光伏、摩擦电、辐射冷却等）对比。d) 7×7 阵列为多种可穿戴和移动设备供电的实物演示。

结论展望

“Evapolectrics” 打开了热电发电新应用场景，将地球上无处不在的蒸发过程变为可利用的能源。研究者指出，系统结构简单、易于扩展，不依赖阳光、风力等间歇性条件，适合可穿戴设备、环境传感网络、偏远地区应急供电等场景。未来结合柔性 TEG 与高 zT 材料，还可进一步提高输出性能、降低体积和重量，拓展更广泛的商业化应用。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10693