【成果掠影 & 研究背景】

隨著柔性可穿戴電子設備的快速發(fā)展，從無處不在的水循環(huán)中收集電能已成為備受關注的研究方向。然而，開發(fā)具有高功率輸出和穩(wěn)定性的濕氣驅(qū)動發(fā)電機仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)濕氣發(fā)電機依賴自發(fā)的水分子吸附與擴散，通常輸出功率較低（毫伏級別），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)動水份單向流動的啟發(fā)，湖北工程學院、武漢紡織大學等團隊在《Advanced Materials》上報道了一種新型光熱蒸發(fā)驅(qū)動的濕氣發(fā)電機。研究團隊通過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，形成了不對稱的光熱溫度梯度。這種設計巧妙地解決了因水分吸附飽和導致的發(fā)電不持續(xù)問題，同時緩解了過度水分蒸發(fā)造成濕度梯度不穩(wěn)定的難題。在60%相對濕度和1個太陽光照條件下，紫色的CF@PPy@PDA器件實現(xiàn)了高達0.74 V的開路電壓和0.72 mA的短路電流，并能驅(qū)動白色LED燈泡持續(xù)發(fā)光超過24小時。該發(fā)電機在白天（平均光照強度1000 W m?2，濕度43%）通過六個單元串聯(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牙耳機、手電筒等電子設備提供充足電力，實現(xiàn)了真正意義上的全天候能量收集。

【創(chuàng)新點 & 圖文摘要】

創(chuàng)新點：

• 仿生設計與機理創(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，而黑色聚吡咯區(qū)域光熱轉(zhuǎn)換效率高、蒸發(fā)強烈，從而自發(fā)形成并維持了一個穩(wěn)定的定向濕度梯度，為電荷遷移提供了持續(xù)驅(qū)動力。

• 性能突破與全天候工作：通過光熱蒸發(fā)驅(qū)動，將濕氣發(fā)電機的輸出電壓提升至0.74V（60% RH），遠超傳統(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，器件在無光照的夜間也能依靠濕度梯度產(chǎn)生0.72V電壓，實現(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（通過聚合時間可調(diào)呈現(xiàn)藍、紫、綠等顏色），主動調(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100次彎曲或摩擦后輸出性能保持穩(wěn)定。該制備工藝簡單，易于大面積制造和定制，可通過單元的串并聯(lián)靈活提升輸出電壓或電流，例如六個并聯(lián)可將電流增至3.9 mA，串聯(lián)可得2.6 V電壓。

• 系統(tǒng)集成與實際應用演示：成功將多個發(fā)電單元集成到可穿戴衣物中，構(gòu)建了自供電系統(tǒng)。在實際戶外場景中，該系統(tǒng)不僅能收集陽光和環(huán)境濕氣，還能利用人體汗液蒸發(fā)，為藍牙耳機充電、驅(qū)動數(shù)字鐘表持續(xù)運行，并在夜間為LED手電筒供電，充分展示了其作為便攜式柔性電源的實用潛力。

Figure 1: 光熱蒸發(fā)驅(qū)動的濕氣發(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)境因素與化學處理對發(fā)電性能的影響及機理分析。

Figure 6: 集成器件戶外性能及可穿戴應用演示。

【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)動濕氣發(fā)電機。通過在原位聚合聚吡咯的棉織物上構(gòu)建不對稱的聚多巴胺結(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現(xiàn)了夜間連續(xù)工作，攻克了傳統(tǒng)濕氣發(fā)電機無法持續(xù)供電的瓶頸?；谄鋬?yōu)異的柔性、可擴展性和易于集成的特點，該工作為構(gòu)建新一代全天候、自適應的可穿戴能源系統(tǒng)提供了創(chuàng)新思路和實用化平臺，有望推動柔性電子設備在無源供能方向的發(fā)展。

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

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