安徽农业&合工大·AM·可穿戴能量采集·户外能量采集·GPS定位供能·帐篷照明·电热织物/电热毯·能量存储气凝胶·水伏电·仿生·液体传输
液体传输增强的仿生异质气凝胶纤维用于柔性可穿戴与户外能量采集系统为应对可穿戴/户外场景中柔性电源依赖电池、长期输出不稳且难以与纺织体系兼容的关键瓶颈，合肥工业大学Huiqing Wang团队联合安徽农业大学等提出一种“液体传输增强”的仿生异质气凝胶纤维（HAF）设计，借鉴玉米茎维管束的定向输水结构，将“高效导液”与“水伏电能量转换”在单根纤维内一体化实现。具体而言，研究采用同轴微流控湿法纺丝构筑核–壳结构：以内核为经TEMPO氧化并适度加捻的棉纱，提供高表面电荷与快速轴向毛细输运；以外壳为再生纤维素/炭黑气凝胶层，实现机械增强与连续导电网络搭建，从而强化固–液界面双电层（EDL）与离子选择性迁移，获得稳定直流输出。在结构—性能关联方面，核心加捻提升了纳米孔道占比并将导液速率提高约1.87倍，显著增强流动电位与电荷累积；外壳厚度与炭黑网络在保证柔韧性的同时提升载流与界面黏结，抑制涂层脱落并延长信号持续时间。除核心输出外，器件在温湿度与风速等环境变量下呈现可调响应，使其能够从汗液蒸发或雨水润湿–蒸发循环中持续取能；通过矩阵式串并联织入与能量存储，可进一步驱动GPS定位、帐篷照明与电热毯等低功耗用电负载，展示了纤维级自供能系统的可扩展集成范式。相关论文以“Liquid Transport-Enhanced Bioinspired Heterogeneous Aerogel Fibers for Flexible Wearable and Outdoor Energy Harvesting System”为题，发表在AM上。技术路线图（部分）如下：研究动机：物联网与便携式可穿戴电子快速发展，对“轻量化、柔性、舒适且可持续”的供能方案提出迫切需求；传统电池/电容器存在寿命与刚性限制，而环境水循环蕴含的界面能量为绿色取能提供了新路径。前人工作瓶颈：多数水伏电（hydrovoltaic）装置依赖刚性脆性基底，难以织物化；纺织基器件常面临输出偏低、运行间歇、信号持续时间短，以及功能涂层与纤维界面黏结弱、易脱落等问题。本工作的解决方案：以仿生“定向输水”作为结构设计抓手，构建核–壳异质气凝胶纤维；通过加捻与TEMPO氧化提升棉纱导液与表面电荷，通过再生纤维素/炭黑气凝胶外壳实现界面融合与导电网络，协同放大固–液界面离子选择性迁移与流动电位。引出关键问题：如何在纤维尺度同时实现高效液体传输、稳态离子分离与可靠电荷收集，并在织物集成与复杂环境下保持长期稳定输出，是推进水伏电纺织化应用的核心科学与工程问题。图1 中文图注：异质气凝胶纤维（HAF）的仿生设计与制备。（a）玉米茎维管束中定向输水行为示意，为核–壳纤维结构提供启发。（b）用于HAF制备的同轴微流控纺丝流程及其由扭绞纤维芯增强输水所驱动的水伏发电机理。（c）制得HAF样品照片。（d）扭绞与未扭绞纤维芯的轴向输水速度对比。（e）再生纤维素/炭黑（CB）壳层封装后水伏输出性能提升。图2 中文图注：HAF的结构与组成表征。（a）扭绞棉纱内部毛细液压作用力分析。（b）纤维芯扭绞前后轴向输水的红外热成像对比。（c）棉纱在TEMPO氧化前后的ζ电位对比。（d）单根棉纱及双股扭绞纱束的SEM图像。（e）扭绞与未扭绞棉芯的孔径分布对比。（f）显示核–壳形貌的HAF横截面SEM图像（f1），以及用于横截面成分分析的二维Raman成像示意与对应Raman映射（f2）和代表性Raman谱（f3）。（g）HAF的X射线计算机断层扫描（CT）成像示意。图3 中文图注：HAF中的发电机理与性能。（a）HAF内水伏发电过程示意。（b）沿纤维干区与湿区建立的电势差示意。（c）干–湿区中选择性离子传输与电流产生示意。（d）棉纱TEMPO氧化时间对水伏性能的影响。（e）三种不同HAF构型的电输出对比。（f–i）纤维长度（f）、电解质种类（g）、环境温度（h）与相对湿度（i）对HAF电学性质的影响。图4 中文图注：HAF的应用展示。（a）1–100根HAF串联时的输出电压。（b）1–50根HAF并联时的输出电流。（c）十根HAF串联时，对不同电容值商用电容器的充电电压变化。（d）集成HAF的柔性可穿戴器件示意（d1），以及其织入服装为GPS模块供电的集成示例（d2）。（e）HAF经过20次洗涤循环后的电输出变化。（f）集成式HAF电源单元示意图。（g）与帐篷结合用于户外照明的集成单元。（h）为与加热织物结合的帐篷供电的集成单元。（i）集成单元驱动前（i1）与驱动后（i2）碳纤维加热片的红外热成像对比。提出“液体传输增强的仿生异质气凝胶纤维”策略：借鉴植物维管束，利用加捻棉芯构建快速轴向毛细输运通道，与外层气凝胶壳协同形成稳定的干–湿区电势差，实现纤维级直流水伏电输出。创新性地实现核–壳界面“同质纤维素融合”与导电网络一体化：同轴微流控纺丝过程中外层纤维素/炭黑溶液对棉纱浸润并部分溶解外层纤维素链，配合酸凝固快速成胶，显著提升界面相容性与抗剥离能力。构建“结构参数—环境变量—输出”可调体系并完成织物级矩阵集成：系统考察加捻度、纤维长度、壳层厚度、电解质类型、温湿度与风速对输出的耦合影响，并以串并联矩阵织入实现可穿戴与户外供能演示。材料原料：棉纱（棉线）、α-纤维素、炭黑（CB）纳米粒子、TEMPO/NaBr/NaClO体系、NaOH/尿素溶剂体系、H₂SO₄/Na₂SO₄ 凝固浴、环氧氯丙烷（交联剂）等。合成策略：先对棉纱进行TEMPO介导氧化获得表面羧基化棉纱并进行加捻；随后采用同轴微流控湿法纺丝，将再生纤维素/炭黑复合溶液包覆于加捻棉芯形成核–壳纤维，在酸性凝固浴中快速凝胶化并经洗涤干燥得到异质气凝胶纤维。合成机理关键词：TEMPO氧化引入羧基并提升ζ电位；加捻诱导径向压缩与纳米孔道形成，增强毛细吸液与EDL重叠；再生纤维素与棉纤维化学相容促进界面融合；炭黑构筑连续导电网络并强化界面电荷收集。材料性能优势：纤维轻质多孔且可织，具备可持续的直流输出与长时稳定性，同时兼顾较高拉伸强度与弯折耐久性，适配多环境取能。应用领域简写：可穿戴电子（WE）·纺织能量采集（EH）·户外自供能系统（OESS）·柔性电热管理（FTM）。主要性能表现：单根纤维可实现稳定直流水伏电输出，并支持长时间连续工作；多根纤维串并联后可获得更高电压/电流，满足低功耗负载供能与电容充电需求。性能支撑机制：干–湿区形成的电势差与选择性离子迁移是持续输出的关键；蒸发驱动的持续导液维持离子流与电荷分离，外壳导电网络提供低阻电荷传输路径。结构/原料设计赋能：加捻棉芯通过孔径下移与毛细压提升显著加速轴向液体迁移，并与TEMPO氧化带来的高负电荷密度共同增强EDL与离子选择性；再生纤维素/炭黑气凝胶壳层提供界面融合与机械支撑，抑制涂层脱落并提高可织性。次要性能表现：输出对温度、湿度与风速等环境因素呈可逆调控；纤维经弯折/折叠与多次洗涤后仍保持较高电学稳定性，体现良好的环境适应与耐久性。机理支撑：温度升高促进蒸发与离子迁移而提升输出；湿度升高抑制蒸发导致电势差与电流下降；适度气流增强蒸发而过高风速引发蒸发冷却，形成非线性响应。结构/原料归因：核–壳一体化结构降低界面失效风险，炭黑网络保障载流连续性；纤维多孔结构与表面羟基/羧基位点共同提供丰富固–液相互作用界面。材料综合特性汇总：轻质多孔气凝胶纤维结构+加捻导液棉芯+导电炭黑网络的多尺度协同，使其兼具可织柔性、环境取水取能、可调直流输出与机械耐久。典型应用方向：可穿戴汗液能量采集与定位安全（GPS供能）、户外雨水/湿气能量采集与帐篷照明、纺织电热毯/电热织物的自供能热管理等。具体表现指标：串联提高输出电压、并联提高输出电流，配合电容可实现能量存储与间歇供电；在不同电解质、纤维长度与环境温湿条件下输出可调，为多场景部署提供参数窗口。研究成果的核心贡献：提出并验证了“液体传输增强+核–壳异质气凝胶纤维”这一可扩展材料平台，实现了水伏电取能从刚性基底向纤维/织物体系的关键跨越。科学或工程意义：将仿生输水结构、界面电化学（EDL/流动电位）与纤维制造（微流控同轴纺丝）耦合，建立了可定量调控的结构—传输—输出关联，为纺织级自供能系统的工程化提供了设计范式。潜在拓展应用领域：面向智能服装、户外救援与野外作业、分布式环境传感节点、低功耗物联网终端，以及与其他纤维能量采集机制（如扭转能量采集）耦合的混合自供能系统等。2.机理：仿生·定向液体传输·毛细作用·蒸发驱动·双电层（EDL）·流动电位·选择性离子迁移3.性能：柔性·可织性·长期稳定输出·环境响应（温度/湿度/风速）·机械耐久（弯折/洗涤）·导电网络4.应用：可穿戴能量采集·户外能量采集·GPS定位供能·帐篷照明·电热织物/电热毯·能量存储（电容充电）通讯作者：Huiqing Wang；Dongdong Ye研究单位（中文）：安徽农业大学材料与化学学院；合肥工业大学化学与化工学院DOI：10.1002/adma.202523239本公众号发布的内容（包括但不限于文字、图片、视频、音频及设计素材等），如有侵权，请联系删除。我们始终尊重知识产权，严格遵守《中华人民共和国著作权法》等相关法律法规，致力于维护健康的内容创作环境。欢迎大家投稿，联系邮箱：Gel_hub@163.com
