合肥工业大学王慧庆教授、安徽农业大学Dongdong Ye教授团队AM成果:研发仿生异质气凝胶纤维 实现汗液与雨水高效能量收集

近日，合肥工业大学化学与化工学院王慧庆教授、安徽农业大学材料与化学学院Dongdong Ye教授团队在国际顶级期刊《Advanced Materials》发表研究成果，受玉米茎维管束高效输水机制启发，通过同轴微流控纺丝技术制备出液体输运增强型异质气凝胶纤维，解决了传统水伏发电器件柔性差、输出不稳定、功能涂层易脱落的难题，为可穿戴与户外可持续能源系统提供了全新解决方案。

一、研究背景

物联网与便携式可穿戴电子设备的快速发展，对轻量化、柔性化、长续航的能源供给系统提出了迫切需求。传统电池与超级电容器存在寿命有限、机械刚性强、长期输出不稳定等缺陷，难以满足下一代可穿戴设备的应用要求。水伏发电技术可将水与固体材料的纳米级相互作用转化为电能，是极具潜力的绿色能源技术，但现有器件多依赖刚性基底，且存在液体输运缓慢、固液界面作用弱、输出功率低等问题。

气凝胶纤维凭借超轻质量、互联纳米孔结构和可调表面化学特性，成为构建液体导向能量收集平台的理想材料。然而，现有气凝胶纤维基水伏器件仍面临界面结合力差、液体输运效率低、长期稳定性不足等挑战，限制了其在可穿戴领域的实际应用。

二、核心研究成果

研究团队提出"液体输运增强"的仿生设计策略，构建了具有核壳异质结构的气凝胶纤维，通过优化核心结构参数显著提升了水伏发电性能。

1. 仿生核壳结构与高效液体输运

异质气凝胶纤维采用同轴微流控纺丝工艺制备，核心为扭曲的TEMPO氧化棉线，外壳为再生纤维素/炭黑复合气凝胶层。

-优化核心扭度至3.6转/厘米，使液体轴向输运速率提升1.87倍（从0.267 mm/s提升至0.487 mm/s）

-TEMPO氧化使棉线表面zeta电位从-25.44 mV提升至-41.72 mV，引入大量羧基活性位点，增强离子相互作用

-核壳界面通过纤维素分子链的部分溶解与融合实现无缝结合，避免了传统涂层易脱落的问题

2. 优异的水伏发电性能

优化后的气凝胶纤维展现出超长稳定的发电能力和环境适应性。

-单根5 cm长纤维可稳定输出0.55 V开路电压和8.8 μA短路电流，连续工作超160 h无明显衰减

-最大功率密度达4.5 μW/cm²，输出性能优于多数已报道的水伏发电纤维

-对一价盐溶液响应最优，可有效利用汗液、雨水等天然水源发电

3. 优异的机械性能与可集成性

气凝胶纤维兼具高强度与良好柔性，满足纺织加工与长期使用要求。

-拉伸强度最高达35 MPa，断裂伸长率6%-9%，远优于纯TEMPO棉线（5-10 MPa）

-1000次连续弯曲后电阻变化小于30%，3000 s弯曲过程中电压波动仅±0.04 V

-串并联集成遵循线性叠加原理：100根串联输出36.1 V，50根并联输出282.4 μA；10根串联可在600 s内充满1000 μF超级电容

4. 可穿戴与户外应用验证

通过矩阵式串并联编织，将气凝胶纤维集成于纺织品中，实现了多种实际应用。

-可穿戴汗液发电系统：集成于导湿面料，利用人体运动产生的汗液发电，可驱动GPS定位设备

-户外帐篷能源系统：663根纤维集成于帐篷面料，可收集雨水能量，驱动户外照明灯和碳纳米管电热毯，使局部温度从17.3℃升至25.8℃

三、图文导读

图1 仿生异质气凝胶纤维的设计与制备

图2 异质气凝胶纤维的结构与组成表征

图4 异质气凝胶纤维的应用演示

四、总结

本工作提出了一种液体输运增强的仿生异质气凝胶纤维设计策略，通过核壳结构协同优化实现了高效、稳定的水伏发电。该纤维兼具优异的机械性能、环境适应性和可编织性，可从人体汗液和户外雨水中收集能量，直接驱动低功率电子设备。这项研究为柔性、轻量化、可持续的可穿戴能源系统提供了通用的材料平台，在智能穿戴、户外装备和物联网节点供电等领域具有广阔的应用前景。

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点击阅读原文，论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202523239

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