文獻(xiàn)快訊：Adv. Mater. 植物蒸騰啟發(fā)的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)棉織物實(shí)現(xiàn)高效光熱蒸發(fā)發(fā)電

【成果掠影 & 研究背景】

隨著柔性可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，從無(wú)處不在的水循環(huán)中收集電能已成為備受關(guān)注的研究方向。然而，開發(fā)具有高功率輸出和穩(wěn)定性的濕氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)濕氣發(fā)電機(jī)依賴自發(fā)的水分子吸附與擴(kuò)散，通常輸出功率較低（毫伏級(jí)別），且在水分吸附飽和后難以持續(xù)發(fā)電。

受植物葉片蒸騰作用驅(qū)動(dòng)水份單向流動(dòng)的啟發(fā)，湖北工程學(xué)院、武漢紡織大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》上報(bào)道了一種新型光熱蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的濕氣發(fā)電機(jī)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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)色薄膜，形成了不對(duì)稱的光熱溫度梯度。這種設(shè)計(jì)巧妙地解決了因水分吸附飽和導(dǎo)致的發(fā)電不持續(xù)問(wèn)題，同時(shí)緩解了過(guò)度水分蒸發(fā)造成濕度梯度不穩(wěn)定的難題。在60%相對(duì)濕度和1個(gè)太陽(yáng)光照條件下，紫色的CF@PPy@PDA器件實(shí)現(xiàn)了高達(dá)0.74 V的開路電壓和0.72 mA的短路電流，并能驅(qū)動(dòng)白色LED燈泡持續(xù)發(fā)光超過(guò)24小時(shí)。該發(fā)電機(jī)在白天（平均光照強(qiáng)度1000 W m?2，濕度43%）通過(guò)六個(gè)單元串聯(lián)可獲得1.18 V電壓，在夜間（濕度52%）也能維持0.72 V的電壓輸出。集成的可穿戴系統(tǒng)能在自然條件下為藍(lán)牙耳機(jī)、手電筒等電子設(shè)備提供充足電力，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全天候能量收集。

【創(chuàng)新點(diǎn) & 圖文摘要】

創(chuàng)新點(diǎn)：

• 仿生設(shè)計(jì)與機(jī)理創(chuàng)新：模仿植物葉片蒸騰作用，首次在織物上構(gòu)建不對(duì)稱結(jié)構(gòu)色光熱層。聚多巴胺結(jié)構(gòu)色薄膜區(qū)域光熱轉(zhuǎn)換效率較低、保水性強(qiáng)，而黑色聚吡咯區(qū)域光熱轉(zhuǎn)換效率高、蒸發(fā)強(qiáng)烈，從而自發(fā)形成并維持了一個(gè)穩(wěn)定的定向濕度梯度，為電荷遷移提供了持續(xù)驅(qū)動(dòng)力。

• 性能突破與全天候工作：通過(guò)光熱蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)，將濕氣發(fā)電機(jī)的輸出電壓提升至0.74V（60% RH），遠(yuǎn)超傳統(tǒng)自發(fā)蒸發(fā)器件。更重要的是，利用PDA與PPy區(qū)域親水性的差異，器件在無(wú)光照的夜間也能依靠濕度梯度產(chǎn)生0.72V電壓，實(shí)現(xiàn)了晝夜不間斷的“全天候”發(fā)電。

• 材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同：利用聚多巴胺薄膜的結(jié)構(gòu)色特性（通過(guò)聚合時(shí)間可調(diào)呈現(xiàn)藍(lán)、紫、綠等顏色），主動(dòng)調(diào)控不同區(qū)域的光吸收與光熱轉(zhuǎn)換效率。其中紫色薄膜區(qū)域光吸收率最低（74.3%），與PPy區(qū)域形成了8.3°C的最大光熱溫差，從而優(yōu)化了濕度梯度和發(fā)電性能。

• 器件的柔性、穩(wěn)定與可擴(kuò)展性：基于棉織物的器件表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性、耐彎折和耐摩擦性能，經(jīng)過(guò)100次彎曲或摩擦后輸出性能保持穩(wěn)定。該制備工藝簡(jiǎn)單，易于大面積制造和定制，可通過(guò)單元的串并聯(lián)靈活提升輸出電壓或電流，例如六個(gè)并聯(lián)可將電流增至3.9 mA，串聯(lián)可得2.6 V電壓。

• 系統(tǒng)集成與實(shí)際應(yīng)用演示：成功將多個(gè)發(fā)電單元集成到可穿戴衣物中，構(gòu)建了自供電系統(tǒng)。在實(shí)際戶外場(chǎng)景中，該系統(tǒng)不僅能收集陽(yáng)光和環(huán)境濕氣，還能利用人體汗液蒸發(fā)，為藍(lán)牙耳機(jī)充電、驅(qū)動(dòng)數(shù)字鐘表持續(xù)運(yùn)行，并在夜間為L(zhǎng)ED手電筒供電，充分展示了其作為便攜式柔性電源的實(shí)用潛力。

Figure 1: 光熱蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的濕氣發(fā)電概念示意圖。

Figure 2: CF@PPy@PDA的制備與結(jié)構(gòu)表征。

Figure 3: CF@PPy@PDA的光熱性能與濕度梯度形成原理。

Figure 4: CF@PPy@PDA的濕氣發(fā)電性能。

Figure 5: 環(huán)境因素與化學(xué)處理對(duì)發(fā)電性能的影響及機(jī)理分析。

Figure 6: 集成器件戶外性能及可穿戴應(yīng)用演示。

【總結(jié) & 原文鏈接】

總之，本研究成功開發(fā)了一種柔性、高效且穩(wěn)定的光熱蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)濕氣發(fā)電機(jī)。通過(guò)在原位聚合聚吡咯的棉織物上構(gòu)建不對(duì)稱的聚多巴胺結(jié)構(gòu)色薄膜，巧妙建立了持久的定向濕度梯度，從而顯著提升了濕氣發(fā)電的輸出電壓、電流及穩(wěn)定性。該器件不僅實(shí)現(xiàn)了在光照條件下的高性能發(fā)電，更憑借材料本征的親水性差異實(shí)現(xiàn)了夜間連續(xù)工作，攻克了傳統(tǒng)濕氣發(fā)電機(jī)無(wú)法持續(xù)供電的瓶頸。基于其優(yōu)異的柔性、可擴(kuò)展性和易于集成的特點(diǎn)，該工作為構(gòu)建新一代全天候、自適應(yīng)的可穿戴能源系統(tǒng)提供了創(chuàng)新思路和實(shí)用化平臺(tái)，有望推動(dòng)柔性電子設(shè)備在無(wú)源供能方向的發(fā)展。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202518736

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