东华大学先进功能材料课题组Sci. Adv.：植物启发的利用吸湿蒸发循环的可持续和高性能织物发电机

自然界中无处不在的水储存了地球上35%的太阳能，大气水循环中巨大的能量转换。最近，水伏发电技术，由于它们的自发直流电输出而获得了极大的关注。

为了提升水伏发电较低的能量采集效率、发电持续稳定性差的问题，东华大学先进功能材料课题组（https://pilab.dhu.edu.cn/afmg/）模仿植物蒸腾作用，提出一种循环吸湿-蒸发发电织物（Mac-fabric），不对称织物利用毛细管效应在一侧吸收水分，并从另一侧有效地排出水分。吸收-蒸发确保了持续的水流通过织物中的负电微纳通道，从而解决了水伏发电中不可持续输出的挑战。水的流动也驱动通过金属电极的氧化还原反应产生的离子的运动。这些离子的定向运动提高了离子电流密度，从而产生可持续的高性能输出。通过将大面积的Mac-fabrics与野营帐篷集成，实现在户外环境中为手机等商用电子设备直接供电。

相关研究成果以‘’Phyto-inspired sustainable and high-performance fabric generators via moisture absorption-evaporation cycles‘’为题发表于学术期刊Science Advances。东华大学系论文唯一完成单位，材料科学与工程学院博士研究生胡云浩为第一作者，王宏志教授、侯成义研究员、肖茹教授为论文共同通讯作者。

图1 植物蒸发电信号与仿生织物的长期电性能

植物的蒸腾作用包括三个阶段:水分吸收(根)、水分运输(茎)和水分蒸发(叶)。水溶性矿物盐被植物的根吸收，并通过蒸发输送到叶子。将电极植入富含负电纤维素的植物茎中，发现活体植物在蒸腾过程中也会产生电信号。植物蒸发过程中的发电来自富含电负性纤维素的木质部在水中诱导的电荷分离(图1)。

基于植物蒸发发电的机理，先进功能材料课题组设计了一种可持续吸湿-蒸发循环织物装置发生器。Mac-fabric的吸湿层(纤维素无纺布/LiCl)(CNW/LiCl)自发地从湿空气中吸收水分子，通过毛细管效应，水经由排湿层(聚丙烯腈织物)(PAN)扩散到蒸发层(聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物织物)(P(VDF-TrFE))。这种独特的多层不对称结构集吸湿和蒸发于一体，使水能够定向循环流动。持续的水流过带负电的微纳通道，实现Mac-fabric的可持续发电。电极的氧化还原反应提供了稳定的离子供应，而逐渐增加的电负性材料促进了电荷分离和离子定向迁移，导致了长时间稳定的高电流输出（图2）。

图2 多种水伏发电机理与集成性能

水吸收和水蒸发之间的平衡对于水伏发电是重要的。Mac-fabric短期暴露于光照导致的蒸发面温度升高促进了水分蒸发，增强了离子迁移率，并提高了性能输出（图3）。在实际应用中，织物结构适合于大面积的制备与组装，通过在户外帐篷上缝合Mac-fabric织物以及电路的组装，可以直接给手机供电，不需要整流和存储（图4）。

图3 吸湿-蒸发发电织物的自充电特性与光热增强效果

图4 吸湿-蒸发发电织物的制备与集成

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk4620