安徽农业大学/合肥工业大学AM:仿生异质气凝胶纤维实现从人体汗液和雨水中收集电能
随着物联网和可穿戴电子设备的飞速发展，对兼具灵活性、轻量化和舒适性的能源解决方案的需求日益迫切。然而，传统电池和超级电容器往往因寿命有限、机械刚性以及输出不稳定等问题，难以满足下一代可穿戴系统的要求。与此同时，自然界的水循环蕴藏着巨大的未被充分利用的可再生能源。水伏发电技术，即通过水与固体材料纳米界面相互作用产生电能，为利用这一资源提供了可能。然而，现有的大多数水伏器件依赖于刚性基底，严重限制了其在可穿戴领域的应用。针对这一挑战，安徽农业大学叶冬冬教授与合肥工业大学王慧庆副研究员团队合作Liquid Transport-Enhanced Bioinspired Heterogeneous Aerogel Fibers for Flexible Wearable and Outdoor Energy Harvesting System，受植物维管束高效水分运输行为的启发，开发了一种新型的仿生异质气凝胶纤维（HAF），用于从液态水（如汗水、雨水）中高效收集能量。研究团队采用微流体纺丝技术，构建了一种独特的皮-芯结构纤维。纤维的核心是经过TEMPO氧化处理并加捻的棉纱，这一设计显著增强了纤维的表面电荷和毛细管作用，实现了水分的快速轴向传输。纤维的皮层则由再生纤维素和导电炭黑（CB）纳米颗粒复合而成的气凝胶构成，这层结构不仅增强了纤维的机械强度，还提供了高效的电荷传导网络。当纤维一端接触水（如汗水或雨水）时，加捻的棉芯通过毛细作用和表面张力驱动水快速轴向传输。在传输过程中，水与纤维素、炭黑表面形成双电层（EDL）。由于纤维内部的纳米通道尺寸小于或等于德拜长度，产生了选择性离子传输和空间电荷积累，从而在纤维的干湿区域之间形成稳定的电势差，源源不断地产生电能。图1：展示了受玉米秸秆维管束启发的纤维设计理念，以及通过微流体纺丝制备HAF的流程。对比实验证实，加捻纤维的液体传输速度（0.487 mm/s）和开路电压（0.51 V）均远高于未加捻纤维（0.267 mm/s，0.23 V）。图2：通过红外热成像、扫描电镜（SEM）、拉曼光谱成像、X射线计算机断层扫描（CT）等手段，系统表征了纤维的结构。结果表明，加捻处理在纤维核心引入了丰富的纳米孔（~20 nm），同时TEMPO氧化引入了大量羧基，增强了表面负电荷。皮层中炭黑均匀分布，形成连续导电网络，且皮层与核心界面结合紧密。图3：阐明了水伏发电机制，并优化了关键参数。研究发现，TEMPO氧化处理10小时、最佳加捻度（3.6捻/厘米）、5厘米长度是获得最佳输出性能（~0.55 V, ~8 µA）的条件。此外，纤维输出对电解质类型、环境温度、湿度及风速均有响应，证明了其在复杂环境下的适应性。图4：展示了HAF的集成应用。通过串并联集成（100根串联达36.1 V），该纤维系统能够驱动计算器、为电容器充电。将其缝制到吸湿排汗面料中，可收集人体运动时的汗液能量，为GPS定位设备供电，实时追踪运动轨迹。进一步集成到户外帐篷中，该能量系统能成功点亮帐篷照明灯，并为碳纤维电热毯供电，实现局部加热。本研究成功开发了一种受生物启发的、基于液态水传输增强的异质气凝胶纤维。通过巧妙地结合加捻棉芯与纤维素/炭黑气凝胶皮层，实现了对水分的快速传输和高效的水伏能量转换。该纤维不仅具有优异的机械柔韧性和稳定性（可水洗），还能通过串并联集成，从人体汗液或户外雨水中收集能量，直接为GPS、照明和加热织物等功能性器件供电。这项工作为开发轻质、可持续、自供能的柔性可穿戴系统提供了全新的材料平台和设计思路。
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https://doi.org/10.1002/adma.202523239来源：BioMed科技声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
