随着物联网、可穿戴电子设备及分布式传感网络的快速发展，开发能够持续收集环境能量的微型电源受到广泛关注。湿气发电机（MEGs）能够利用材料与环境水分子的相互作用，诱导离子迁移和电荷分离，实现湿气能量向电能的转化，在柔性电子和自供能系统中展现出应用潜力。然而，现有湿气发电材料通常依赖表面官能团修饰或结构不对称性建立离子浓度梯度，仍面临输出性能有限、稳定性不足及器件集成困难等问题。如何通过材料组分调控实现可持续、稳定的湿气发电，是该领域的重要研究方向。

近日，南京大学金钟教授、马晶教授等利用二维黑砷磷（b-As_xP）纳米片的组分可调特性，提出了一种基于砷组分梯度的柔性湿气发电器件设计策略。研究团队将不同As/P原子比例的b-As_xP纳米片依次负载于高密度聚氨酯（HPU）海绵骨架，在保持多孔结构与机械柔性的同时，构筑空间非对称的As组分分布。不同组分纳米片与水分子的相互作用存在差异，能够诱导非对称界面离子分布，促进水合氢离子的定向迁移并产生电势差。在约80%相对湿度（RH）条件下，器件实现186 mV的开路电压和0.44 μA cm^-2的短路电流密度。通过聚乙烯醇（PVA）封装进一步提高器件的吸湿性与环境稳定性，28个器件串联后可实现2.7 V电压输出，并通过电容储能成功点亮红色LED面板。

研究团队首先采用化学气相传输法制备不同As/P原子比例的b-As_xP块体晶体，并通过液相剥离获得相应的二维纳米片。电子显微镜表征显示，所制备纳米片具有典型的二维片层形貌，平均横向尺寸约为212 nm。原子力显微镜测试表明，代表性纳米片厚度约为15 nm。X射线衍射及拉曼光谱进一步证实，随着As含量增加，材料晶格参数和特征振动模式发生规律性变化，表明可以通过调节As/P原子比例实现对b-As_xP晶体结构及物理化学性质的有效调控，为构筑组分梯度湿气发电器件提供了材料基础。

图1. 不同As/P原子比例b-As_xP纳米片的制备及结构表征。

基于b-As_xP纳米片的组分可调特性，研究团队将不同As含量的纳米片按照预设顺序负载于HPU海绵内部，形成沿器件长度方向变化的As组分梯度。HPU海绵的三维互连多孔结构能够为水分子吸附及离子传输提供通道，同时赋予器件良好的机械柔性与可裁剪性。扫描电子显微镜及元素分布测试证实，纳米片能够有效负载于海绵骨架。为进一步改善器件的环境稳定性，研究团队引入PVA封装层。在80% RH下，原始HPU海绵、b-As_xP/HPU复合海绵及PVA封装器件的平衡含水量分别为4.1 wt%、6.8 wt%和8.2 wt%。拉曼光谱表明，PVA封装能够有效减缓b-As_xP纳米片的氧化，使器件在空气中放置一周后仍保持较为稳定的结构特征。

图2. 组分梯度b-As_xP/HPU海绵湿气发电器件的构筑及形貌表征。

在80 ± 2% RH条件下，研究团队系统测试了器件的电学输出性能。结果表明，器件能够产生约186 mV的开路电压和0.44 μA cm^-2的短路电流密度。随着外部负载电阻变化，器件输出电压逐渐升高，而电流密度相应降低，在约8 × 10⁵ Ω负载下获得最大功率密度5.73 nW cm^-2。器件在连接1 MΩ外部负载时能够维持约15 h的电压输出，并表现出可重复的发电与放电响应，说明该体系具备持续收集环境湿气能量的能力。

图3. b-As_xP/HPU海绵湿气发电器件的电学性能。

进一步研究发现，器件输出与环境湿度密切相关。当RH由80%降低至30%时，输出电压由约186 mV下降至40 mV，表现出明显的湿度响应特性。通过调节器件厚度及沿组分梯度方向的长度，可以进一步优化电学输出性能，其中约5 mm的厚度和4 cm的长度在测试范围内表现出较好的综合性能。此外，器件具有良好的机械柔性，在150°弯曲状态下仍能保持约0.163 V的电压输出，经过200次重复弯曲后仍具有稳定的电学功能，展现出在柔性电子器件中的应用潜力。

图4. 湿气发电器件的湿度响应、尺寸依赖性及柔性性能。

为揭示As组分梯度对湿气发电行为的影响，研究团队结合对照实验、Zeta电位、pH测试及密度泛函理论（DFT）计算，系统研究了不同组分b-As_xP纳米片的界面水分子吸附与离子输运行为。对照实验表明，均匀组分器件几乎不产生明显电压，而具有非对称组分分布的器件能够产生显著电输出；当组分排列方向反转时，输出电压极性也随之反转，表明空间组分非对称性是产生定向电输出的关键因素。Zeta电位测试显示，随着As含量增加，纳米片表面电位逐渐负移，水分散液酸性增强。DFT计算进一步表明，As含量增加能够增强水分子在b-As_xP表面的吸附作用，为形成非对称界面离子分布提供了理论依据。

基于上述结果，研究团队提出了组分梯度驱动的湿气发电机制：环境水分子进入海绵孔道后，与不同组分的b-As_xP纳米片发生界面相互作用，诱导水合氢离子产生并形成空间非对称分布。在离子浓度梯度作用下，水合氢离子沿组分梯度方向定向扩散，逐渐建立内建电场。当离子扩散与电场驱动的反向迁移达到动态平衡时，器件两端形成稳定的电势差，实现持续的湿气发电输出。

图5. b-As_xP/HPU海绵湿气发电器件的工作机制。

为验证器件的集成应用潜力，研究团队进一步开展了串并联及电容储能实验。结果表明，通过并联可以提高输出电流，而串联能够有效提升输出电压。将28个柔性湿气发电单元串联后，在约80% RH条件下获得高达2.7 V的电压输出，并可在约1 min内将1 μF电容充电至2.7 V。此外，集成器件能够持续收集环境湿气能量，为220 μF电容充电，并利用储存的电能成功点亮红色LED面板，展示了其在低功耗自供能系统中的应用潜力。

图6. b-As_xP/HPU海绵湿气发电器件的串并联集成与应用展示。

该研究提出了一种基于二维元素合金组分梯度的柔性湿气发电器件设计策略。通过调节b-As_xP纳米片的As/P原子比例，在多孔聚合物骨架中构筑空间非对称组分分布，实现了对界面水分子吸附、离子分布及定向迁移行为的有效调控。与传统主要依赖表面修饰或宏观结构不对称性的湿气发电体系相比，该研究从二维元素合金的原子组成调节出发，为湿气能量转换材料的设计提供了新的思路。同时，柔性多孔骨架与PVA封装策略的结合，使器件兼具湿度响应、机械柔性、可裁剪性及可集成性，为未来柔性电子、分布式传感及低功耗自供能系统的发展提供了新的可能。

相关研究成果以“Flexible and Tailorable Moisture–Electric Generators Realized by Arsenic Concentration Gradient in 2D Black As_xP Nanosheet Sponge”为题发表于国际知名化学期刊《Angewandte Chemie International Edition》，并被评选为Hot Paper。南京大学化学学院梁俊川、沈天宇和郑东为论文共同第一作者，铁祚庥、马晶和金钟为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、教育部基础学科和交叉学科突破计划、装备预研教育部联合基金、江苏省基础研究计划重点项目、江苏省科技重大专项、江苏省前沿技术研发项目、苏州市关键核心技术揭榜挂帅项目、苏州实验室开放研究基金、郴州市国家可持续发展议程创新示范区省级专项揭榜挂帅项目、中央高校基本科研业务费专项资金及南京大学国际合作计划等项目的资助。