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2019-06-23
随着能源危机和环境问题的日益加剧，绿色、可再生能源器件的研究和应用得到了全球的广泛关注。其中，太阳能、热能、机械能、风能、生物电化学能源等陆续被用来发电，在自供电系统和可穿戴领域有广泛的应用前景。然而，上述能源形式在应用上仍然有较多限制，例如太阳能发电装置需要持续光照；摩擦或者压力发电需要持续的相对运动，对材料与装置的机械性能要求较高；风能发电往往对低于要求相对较高。最近，湿气作为自然界和生物过程中广泛存在的资源正被用来发电，扩展了自然界中可用来发电的资源。然而，目前湿气发电主要是依靠碳纳米材料与水（水汽）的相互作用实现的。例如，曲良体等人将氧化石墨烯薄膜通过电化学方法处理后，膜上下表面的含氧官能团呈现出一种可控的梯度分布状态。这种含氧官能团的梯度分布结构，使薄膜一旦接触湿气，上下表面的湿度也会呈现出梯度排布，这会引发正负电荷分离并发生定向移动，从而使上下表面产生0.2 V的电势差。但是，碳纳米材料的宏量制备难度较大、成本较高，复杂的器件结构也影响了大规模应用。低成本、高性能的湿气发电材料与器件研发依然是该领域研究的重点与难点内容。
另一方面，在自然界中，很多生物体及人体生理过程中伴随着基于体液/组织液的生物电现象。例如，树液在树干中自下往上运输会产生流动电势；细胞膜由于内外离子及浓度差异，存在跨膜电势。尽管生物质产量巨大，成本低廉且绿色可再生，利用生物基材料与水/湿气的相互作用制备发电装置，仍然具有很大的挑战。
图1 生物基纳米纤维的制备、结构及其取向气凝胶的制备和吸湿性能示意和表征。
近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所李朝旭研究组发现：生物质纳米纤维（纤维素纳米纤维、蚕丝纳米纤维、甲壳素纳米纤维、Amyloid纳米纤维等）气凝胶具有良好的空气吸湿性能。这主要是因为一方面生物基纳米纤维材料表面具有丰富的亲水基团（例如羟基、羧基、季铵基团、氨基等）；另一方面基于开尔文毛细冷凝原理，纳米纤维的小尺寸效应（直径一般<10nm）和气凝胶的层级孔道结构更有利于蒸汽的凝结（图1）。因此，当具有一定湿度（相对湿度>50%）的气流通过该气凝胶时，蒸汽会以结合水和自由水的形式被气凝胶捕获，纤维表面羧基等基团解离进而在纤维表面形成双电层，气凝胶前后具有湿度差，前端湿气冷凝与后端的水分蒸发达到平衡，气凝胶内部表面和孔道中的溶液流动形成流动电势，从而制成生物基纳米纤维气凝胶湿气发电机。进一步研究表明该发电机基本符合斯莫鲁霍夫斯基流动电势公式（图2）。
图2 纤维素纳米纤维气凝胶湿气发电机发电性能与机理分析。
本研究制备的生物基纳米纤维气凝胶发电器件具有成本低、生物相容高、可降解等诸多优点，并且生物纳米纤维可以利用农林与渔业废弃物为原料制备。该器件适于小型可穿戴电子器件的供电，而且由于人体活动（呼吸、出汗等）有湿气产生，其发电信号可能与活动剧烈情况密切相关，有望用于自供电健康监测器件。该研究发表于近期的《先进功能材料》杂志上。
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