隨著柔性電子設(shè)備的快速發(fā)展，從環(huán)境中獲取持續(xù)、穩(wěn)定的電能成為一項重要挑戰(zhàn)。盡管太陽能、熱能等多種環(huán)境能量收集技術(shù)已被廣泛研究，但它們往往受限于間歇性和不穩(wěn)定性。濕氣驅(qū)動發(fā)電機因其可利用廣泛存在的水循環(huán)而備受關(guān)注，然而，如何實現(xiàn)高功率輸出和長期穩(wěn)定運行，尤其是克服水分吸附飽和后發(fā)電中斷的問題，仍是該領(lǐng)域面臨的主要難題。

近日，武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林院士、夏良君教授和湖北大學(xué)Liu Hai合作開發(fā)出一種高效、穩(wěn)定的全天候濕氣發(fā)電裝置。該裝置通過在棉織物表面原位聚合聚吡咯，并在一半?yún)^(qū)域構(gòu)建聚多巴胺結(jié)構(gòu)性彩色薄膜，形成不對稱的光熱蒸發(fā)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種名為CF@PPy@PDA的復(fù)合材料，在60%相對濕度和1個太陽光照下，可實現(xiàn)0.74伏的開路電壓和0.72毫安的短路電流，并能驅(qū)動白色LED燈泡持續(xù)發(fā)光超過24小時。該設(shè)計不僅模擬了植物的蒸騰作用以維持定向濕度梯度，還能在夜間依靠材料親水性差異持續(xù)發(fā)電，為可穿戴電子設(shè)備提供了創(chuàng)新的自供電解決方案。相關(guān)論文以“Highly Efficient and Stable All-Weather Moisture Power Generation via Asymmetric Structured Color Photothermal Evaporation-Induced Cotton Fabrics”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究人員首先展示了一種仿生設(shè)計思路。如圖1所示，該裝置的工作原理模仿了樹木的蒸騰驅(qū)動水流過程。聚吡咯涂層作為強光熱吸收層，驅(qū)動水蒸發(fā)；而聚多巴胺結(jié)構(gòu)性彩色薄膜則因薄膜干涉效應(yīng)反射部分光線，降低了光熱轉(zhuǎn)換效率，從而保留更多水分。這種兩側(cè)蒸發(fā)速率的差異，在材料內(nèi)部形成了穩(wěn)定的濕度梯度，成為驅(qū)動離子定向遷移、產(chǎn)生電能的核心動力。

圖1 | CF@PPy@PDA 光熱驅(qū)動發(fā)電模型示意圖。

圖2詳細闡述了材料的制備過程與結(jié)構(gòu)特征。棉織物經(jīng)過清洗后，通過原位聚合覆蓋上一層黑色的聚吡咯涂層。隨后，在其一半?yún)^(qū)域進行聚多巴胺的自聚合反應(yīng)，隨著反應(yīng)時間從4小時延長至24小時，薄膜因厚度變化產(chǎn)生干涉，依次呈現(xiàn)出棕色、藍色、紫色和綠色的結(jié)構(gòu)性色彩。反射光譜和CIE色坐標分析證實了顏色與薄膜光學(xué)特性的直接關(guān)聯(lián)。掃描電鏡圖像進一步揭示了聚吡咯納米顆粒均勻覆蓋的粗糙纖維結(jié)構(gòu)，以及聚多巴胺薄膜形成后更為光滑的表面形貌，這為水分傳輸和電荷收集提供了理想的界面。

圖2 | （a）CF@PPy@PDA 制備流程示意圖；（b）不同自聚合時間下棉織物表面結(jié)構(gòu)色照片；（c）不同結(jié)構(gòu)色薄膜的反射光譜；（d）CIE 色度坐標圖顯示顏色隨反應(yīng)時間變化。

該裝置的核心優(yōu)勢在于其巧妙的不對稱光熱設(shè)計。圖3揭示了其高效發(fā)電的工作機制。聚吡咯在寬光譜范圍內(nèi)具有高達98%的吸收率，而紫色聚多巴胺薄膜的平均吸收率僅為74.3%，這導(dǎo)致了兩側(cè)顯著的光熱溫差。在氙燈照射下，黑色聚吡咯區(qū)域與紫色聚多巴胺區(qū)域之間的溫差可達8.3°C。這種溫差驅(qū)動水分從濕潤的聚多巴胺側(cè)向干燥的聚吡咯側(cè)持續(xù)流動。在纖維納米通道中，水流帶動離子遷移，在帶電通道壁面形成雙電層，從而產(chǎn)生流動電勢。數(shù)值模擬結(jié)果直觀顯示，CF@PPy@PDA（紫色）表面形成了顯著的溫度與濕度梯度，這是傳統(tǒng)對稱結(jié)構(gòu)所不具備的。

圖3 | （a）CF@PPy@PDA 光熱水蒸發(fā)驅(qū)動發(fā)電工作原理；（b）PPy 與不同 PDA 結(jié)構(gòu)色薄膜的吸收光譜；（c）不同結(jié)構(gòu)色樣品在氙燈下的光熱溫度分布；（d）不同 PDA 結(jié)構(gòu)色區(qū)域與黑色區(qū)域的光熱溫差；（e）光熱轉(zhuǎn)換效率；（f）光熱蒸發(fā)下水分梯度與電勢差示意圖；（g,h）CF@PPy 與 CF@PPy@PDA（紫色）表面光熱溫度分布的模擬結(jié)果。

性能測試結(jié)果充分證明了該設(shè)計的優(yōu)越性。如圖4所示，在不同濕度下，所有CF@PPy@PDA樣品均能產(chǎn)生電壓，且在60%相對濕度下性能最佳。其中，紫色樣品的發(fā)電性能最為突出，開路電壓高達0.74伏。在長達數(shù)小時的連續(xù)測試中，電壓和電流輸出保持高度穩(wěn)定。經(jīng)過彎曲、摩擦和水洗測試后，其性能未見明顯衰減，展現(xiàn)了出色的機械穩(wěn)定性與耐久性。與未修飾的CF@PPy相比，CF@PPy@PDA的輸出功率密度提升了數(shù)十倍，達到了29.2微瓦每平方厘米，其綜合性能在雷達圖評價中全面領(lǐng)先。

圖4 | （a）光照下干/濕界面電流生成機制與水分流動示意圖；（b–e）不同 PDA 結(jié)構(gòu)色樣品在 20–80% 濕度下的開路電壓；（f,g）CF@PPy@PDA 在 60% 濕度下的實時開路電壓與短路電流；（h）不同結(jié)構(gòu)色樣品的輸出功率密度；（i）與其他織物基水分發(fā)電系統(tǒng)的電壓與電流密度對比。

研究還深入探討了環(huán)境因素與化學(xué)改性對發(fā)電性能的影響。如圖5所示，適當提高環(huán)境溫度或濕度（在60%以下）有助于提升輸出電壓。用低pH鹽酸溶液或含高價陽離子（如Fe3?）的鹽溶液處理材料，可通過增強質(zhì)子化梯度或離子遷移效率，進一步提升電壓輸出。密度泛函理論計算表明，水分子和氯離子在聚吡咯表面的吸附能有效誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移，增加表面電荷密度。此外，該裝置對光照開關(guān)表現(xiàn)出快速、可逆的電壓響應(yīng)，經(jīng)過數(shù)十次循環(huán)及長達一個月的環(huán)境暴露后，其敏感性與穩(wěn)定性依然保持良好。

圖5 | （a）紫色 CF@PPy@PDA 在 10–40℃ 溫度下的開路電壓變化（60% 濕度）；（b）在 20–80% 濕度下的開路電壓變化（40℃）；（c）不同 pH HCl 溶液環(huán)境下的開路電壓；（d）不同鹽溶液環(huán)境下的開路電壓；（e）水分梯度截面中質(zhì)子遷移密度與電荷傳導(dǎo)驅(qū)動力模型；（f）純水與 NaCl 溶液中 PPy 表面電荷積累模擬；（g）PPy 顆粒 Zeta 電位隨離子濃度變化；（h）基于陰離子吸附的雙電層形成與能量轉(zhuǎn)換路徑；（i）光照開關(guān)循環(huán)下的開路電壓響應(yīng)。

為實現(xiàn)實際應(yīng)用，研究人員將多個發(fā)電單元進行集成。如圖6所示，通過并聯(lián)或串聯(lián)連接，可以靈活提升輸出電流或電壓。六個單元串聯(lián)后在室外白天光照下可產(chǎn)生1.18伏電壓，在夜間無光時，依靠材料自身親水性差異也能維持約0.72伏的電壓輸出，實現(xiàn)了真正的“全天候”發(fā)電。該集成系統(tǒng)成功驅(qū)動了白色LED燈泡持續(xù)照明24小時，并為數(shù)字時鐘供電。更重要的是，研究團隊將15個發(fā)電單元縫合到衣物上，構(gòu)建了可穿戴發(fā)電系統(tǒng)。在室外運動場景中，該系統(tǒng)不僅能利用陽光和環(huán)境濕氣，還能通過人體汗液蒸發(fā)提供額外水分，產(chǎn)生足夠的電力為藍牙耳機充電，或在夜間為手電筒供電，展示了其在柔性可穿戴能源領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

圖6 | （a）并聯(lián)與串聯(lián)連接的輸出電流與電壓；（b）戶外日夜發(fā)電示意圖；（c）白天六個串聯(lián)單元的開路電壓；（d）夜間開路電壓；（e）六個串聯(lián)單元在氙燈下的熱成像圖；（f）驅(qū)動 LED 燈泡與電子鐘的實際演示；（g）可穿戴系統(tǒng)集成示意圖；（h）人體汗液蒸發(fā)供電示意圖；（i,j）為藍牙耳機與手電筒供電的場景。

這項研究成功開發(fā)出一種基于不對稱光熱結(jié)構(gòu)的高性能、全天候濕氣發(fā)電裝置。它通過仿生設(shè)計有效維持了濕度梯度，解決了傳統(tǒng)濕氣發(fā)電機功率輸出低、穩(wěn)定性差的瓶頸問題。該裝置兼具高效率、高穩(wěn)定性和良好的柔性，其模塊化設(shè)計為構(gòu)建可穿戴自供電系統(tǒng)提供了通用平臺。未來，這種將環(huán)境濕氣與太陽能相結(jié)合的能量收集策略，有望為物聯(lián)網(wǎng)傳感器、便攜式電子設(shè)備及智能紡織品提供一種可持續(xù)、免維護的綠色能源解決方案。