东华大学王宏志/侯成义团队 Sci. Adv.：受植物启发的循环吸湿-蒸发发电织物

2024-01-12 来源：高分子科技

从无处不在的水循环中收集能量已经成为一种有前途的发电技术。鉴于此，东华大学王宏志教授，侯成义研究员等开发了一种可持续的吸湿-蒸发循环织物(Mac-fabric)。基于织物中的单向导湿和负电荷通道诱导的电荷分离，可以实现持续的恒压发电。在40% RH和20 °C环境下，单个Mac-fabric可实现0.144 W/m² (5.76 × 10² W/m³)的高功率输出。通过组装500个串联和300个并联的Mac-fabric单元，在25% RH和20 °C环境下实现350 V的串联电压和33.76 mA的并联电流。数千个Mac-fabric单元被缝合到一个帐篷中，可直接为户外环境中的手机等商用电子产品供电。Mac-fabric的轻质(300 g/m²)和柔软特性使其成为现实环境中大面积集成和能量收集的理想选择。相关成果以“Phyto-inspired sustainable and high-performance fabric generators via moisture absorption-evaporation cycles”为题发表在Science Advances上。

图1 植物蒸腾作用图

目前植物发电通常是指植物微生物燃料电池，而对植物蒸发发电的研究仍然有限。植物的蒸腾作用包括三个阶段:水分吸收(根)、水分运输(茎)和水分蒸发(叶)。水溶性矿物盐被植物的根吸收，并通过蒸发输送到叶子(图1)。作者将电极植入富含负电纤维素的植物茎中，发现活体植物在蒸腾过程中也会产生电信号。植物蒸发过程中的发电来自富含电负性纤维素的木质部在水中诱导的电荷分离(图2)。

图2 Mac-fabric的仿生原理及电输出特性。

东华大学先进功能材料课题组（https://pilab.dhu.edu.cn/afmg/）通过模仿植物蒸腾作用，提出一种循环吸湿-蒸发发电织物（Mac-fabric）。Mac-fabric的吸湿层(纤维素无纺布/LiCl)(CNW/LiCl)自发地从湿空气中吸收水分子，通过毛细管效应，水经由排湿层(聚丙烯腈织物)(PAN)扩散到蒸发层(聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物织物)(P(VDF-TrFE)) (图3)。这种独特的多层不对称结构集吸湿和蒸发于一体，使水能够定向循环流动(图4)。持续的水流过带负电的微纳通道，实现Mac-fabric的可持续发电。电极的氧化还原反应提供了稳定的离子供应，而逐渐增加的电负性材料促进了电荷分离和离子定向迁移，导致了长时间稳定的高电流输出(图5和图6)。

图3 水伏发电的工作机理

图4 Mac-fabric 的制备及其吸湿-蒸发性能

图5 Mac-fabric的发电机制

图6 Mac-fabric 电输出的优化

织物不仅是水伏发电的理想载体，也适合大规模制造。作者将8 × 240串并联的Mac-fabrics缝合并组装到户外帐篷上(图7)。这种吸湿-蒸发机制可以直接给手机供电，不需要整流和存储。

图7 Mac织物的大规模制备及其作为便携式能源的应用

相关研究成果以Phyto-inspired sustainable and high-performance fabric generators via moisture absorption-evaporation cycles为题发表于学术期刊Science Advances（DOI: 10.1126/sciadv.adk4620）。东华大学系论文唯一完成单位，材料科学与工程学院博士研究生胡云浩为第一作者，王宏志教授、侯成义研究员、肖茹教授为论文共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adk4620

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（责任编辑：xu）

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