人体是一个移动的巨大能量库，因此，基于人体行为和微环境的能量收集系统被开发以用作可穿戴电子设备的能量补充，去解决可穿戴设备驱动能源的限制（如尺寸大，质重，容量有限等）。因而，各种先进的能量收集系统，如压电系统、热电系统、磁电系统、光伏系统以及复合系统等，都应“需”而生，并获得了良好的效果。其中，热电技术逐渐发展为能适应真实的人体微环境(包括空气、阳光和水分的环境)的可行路线。此外，人体微环境中存在的水分可以作为水电效应的激发源，热电效应和水电效应的协同作用可有效地提升热电转换纺织结构器件输出电压。基于此，天津工业大学李婷婷副教授与台湾逢甲大学林佳弘特聘教授、亚洲大学楼静文特聘教授合作，在前期PEDOT/ PPy双壳结构的光热电转换复合织物(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020 12.49)的基础上，构建一种具有多级梯度结构的PDA-PEDOT光热电转换复合织物。研究内容以“Synergistic work of photo-thermoelectric and hydroelectric effects of hierarchical structure photo-thermoelectric textile for solar energy harvesting and solar steam generation simultaneously ”为题发表在一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal》上(影响因子13.27)。

多级结构光热电织物制备

  PDA对PP非织材料进行表面改性，可以使得PP纤维表面活化。此外，PDA和PEDOT之间还会产生静电吸附和π-π相互作用，PEDOT牢固地附着在PP非织纤维材料表面 (见图1a)。多级结构PP-PDA-PEDOT的制备流程和微观形貌观察分别如图1b和图2所示。

图1 PP-PDA-PEDOT光热电织物的制备过程

图2 多级结构 PP-PDA-PEDOT 的微观形貌

  图2观察可知，PP-PDA-PEDOT上表面形成PEDOT膜，赋予其良好的导电性；下表面形成核壳结构。同时，中间层则是凹凸不同的“褶皱”形貌。这使得PP-PDA-PEDOT“自下而上“形成一个“光陷阱”，消耗光能，如图3所示。因此，下表面的光热转化效果要强于上表面。

图3 PP-PDA-PEDOT 光陷阱示意图

  综上可知，PP-PDA-PEDOT上表面具有良好的热电效果，而下表面具有优异的光热效果。基于此，通过缝合技术将条状PP-PDA-PEDOT和镀银织物进行间隔组装得到织物太阳能板(见图4a)，以用于同时实现光热电转化和光热水蒸发。从图4a’中可以发现，置于遮光板上下两侧的条状PP-PDA-PEDOT就像“小树”—持续吸收，运输和蒸发水分，使得水电效应能够连续发生。干态的织物太阳能板在500 W的光照可以持续输出1.37 mV输出电压；而其在湿态下，则能产生12.5 mV的输出电压，并且在1个小时内可产生3 g左右的水蒸气。这样的提升的效果主要是是归功于光热、热电和水电效应的协同作用，如图5a-c所示。因此，织物太阳能板可以同时用于光热电转化和产生水蒸气(见图5d)。此外，为模拟人体出汗，采用 0.9% NaCl 溶液代替人体汗液。当织物太阳能板被模拟体液润湿时，织物太阳能板的电压输出从 -0.092 mV急剧增加到1.712 mV(见图 6f-f'')。该结果表明，光热电和水电效应的协同作用可以显著提高织物太阳能板的电压输出。此外，模拟体液的持续供应可以获得更高的电压输出，达到 2.912 mV，如图 5f''''所示。大量模拟体液蒸发使PP-PDA4-PEDOT两端的电荷堆积更多，每个PP-PDA4-PEDOT都能获得更高的输出电压，从而提高织物太阳能板整体的电压输出。因此，织物太阳能板可以将体液从人体皮肤上带走以管理和监测人体湿度，并且同时产生电能。因而，该技术对人体微环境能量收集和体温监测具备巨大的潜力，同时，多功能人体微环境自适应自供电器件对便携式可穿戴设备的发展具有巨大的吸引力。

图4织物热电手环输出电压稳定性测试

图5 光热电、水电协同机理图和实际环境测试

  该研究得到国家自然科学基金、福建省自然科学基金和天津市自然科学基金的支持。论文的第一作者为天津工业大学纺织科学与工程学院张雪飞博士，天津工业大学李婷婷副教授、台湾逢甲大学林佳弘特聘教授和台湾亚洲大学楼静文特聘教授为论文的通讯作者。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131923