《Adv. Func. Mater.》基于自供能和蒸气驱动的电动效应的可编织的复合纤维
文章标题：Knittable Composite Fiber Allows Constant and Tremendous Self-Powering Based on the Transpiration-Driven Electrokinetic Effect
第一作者：Jianyu Chen
通讯作者：Kai Wu, Qiang Fu
通讯单位：College of Polymer Science and Engineering, Sichuan University, China
撰稿：JeverXin
背景介绍
随着物联网时代的到来，电子手表、智能玻璃、健康监测传感器等可穿戴电子产品近来蓬勃发展，使人类更加方便、舒适、高效。然而，它们大多仍由传统的笨重僵硬的电池供电。为了更好地实现便携性和能源的可持续性，人们非常需要一种小型化、轻量化、可持续的电源。自供电纳米发电机，包括摩擦电、压电、热电、和湿电纳米发电机，可以直接从周围环境中获得清洁能源，而无需外部能源输入。它们具有高效和环保的特点，成为为未来电子可穿戴设备提供能量的有前途的电源之一。湿电纳米发电机是一种新颖而重要的发电机，它基于根据电动力学效应，从周围广泛的水分、汗水和雨水中收集可再生能源。在水电纳米发电机中实现持久和恒定的能量供应模式，将为自供电技术在更多可能的应用场景中开辟机会，并从根本上扩大可再生能源采集的技术能力。基于电动力学效应的输出电力归功于两个必要的因素。一个是保证纤维中高电位差的耦合能力和导电性；另一个是提供足够水能量的高效水流，这在传统的碳基纤维中通常很难实现。
文章导读
最近，来自四川大学高分子材料工程国家重点实验室的研究团队展示了一种简单的、可扩展的再生纤维素（RC）/CNT水电纳米发电机，它能够根据生物液体（如汗液）的蒸腾和电动效应的功能实现连续和巨大的电力输出。此外，这种高负载的复合纤维在机械可以精致地集成到织物中。研究人员设计了一个由108根纤维串联或并联的湿电纳米发电机模型，它表现出1.2V的显著充电功率（充电时间为10分钟），无需外部电源即可为电子计算器供电。相关成果以“Knittable Composite Fiber Allows Constant and Tremendous Self-Powering Based on the Transpiration-Driven Electrokinetic Effect”为题发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。
研究进展
图1. a）电动力学效应（左）和植物的蒸腾过程（右）的机制示意图。 b）通过连续湿法纺纱制造RC/CNT纤维的示意图。插图。e) RC/CNT纤维的偏振拉曼光谱。 f) 偏振拉曼的典型图像，激光束在0°和50°方向偏振。
基于电动效应的发电，其中持续的水流穿过碳基纳米材料的表面是必不可少的（图1a，左图）。如图1a（右图）所示，受蒸腾作用的启发，研究人员提出了一种湿电纳米发电机，它采用了在亲水纤维素/碳纳米管纤维内获得稳定和连续的水供应，以实现基于电动力学效应的连续电力输出。这种纤维是通过使用绿色溶剂的连续湿法纺丝方法制备的（图1b）。它的溶解-凝固-再生系统是环保的，涉及的加工程序被证明能够实现可扩展的连续生产（图1c）成连续均匀的复合纤维（图1d）。此外，拉曼光谱结果（图1e,f）验证了CNTs的轴向排列，这种各向异性的特征有望促进带电载体在转运过程中的轴向跳跃，有助于实现可佩戴的要求和基于电动力学效应的自供电功能。
图2. 单根20毫米长的RC/CNT纤维的发电性能。a) 典型发电装置的布局示意图。b) RC/35 wt% CNTs纤维的输出电压和输出电流。c) RC/35 wt% CNT纤维在水滴到纤维中不同位置的输出电压。d) 不同NaCl浓度的RC/35 wt% CNT纤维的输出电压。e) 不同CNT负载的RC/CNT纤维的输出电压和f) 输出电流。g) RC/CNTs纤维的输出性能与CNT含量的关系。在此，无需特别解释，用于测试输出功率的水滴中的NaCl溶液被固定为0.051M（≈3g L-1）。
研究人员设计了一个自制的自供电装置，如图2a所示。当NaCl溶液（0.2毫升）滴在装置的一侧时，纤维被润湿，一根纤维可以获得55.8 mV的直流电压和31.1 nA的电流（图2b），证明了RC/CNT复合纤维可以自发地产生电力。此外，如图2c所示，测量水滴到灯丝中不同位置的输出电压。上述结果表明，只有当连续的水在灯丝内只向一个方向流动时，才会产生电能。随着溶液中离子浓度的增加（图2d），装置的发电能力增强，说明离子也是影响电能输出的关键因素之一。如图2e-g所示。当CNT含量大于30wt%时，导电的RC/CNT纤维可以输出恒定而持久的电力，仅采用一根RC/40wt%的CNT纤维，就可以得到3.5nW的最大值。
图3.a) 原始CNT和表面改性CNT的示意图；b) 不同RC/40 wt% CNT纤维的亲水性；c) 不同RC/40 wt% CNT纤维的导电性；d) 不同RC/40 wt% CNT纤维的输出电压和e) 输出电流；f) 不同RC/40 wt% CNT纤维的输出性能；g) 根据密度泛函理论计算，不同CNT与水分子之间的变形电荷密度和结合能量。
为了增加表面电荷密度，研究人员使用了三种不同的表面改性方法来优化RC/CNT纤维的发电性能。分别被为表面活性剂处理的CNT（使用非离子型聚氧乙烯月桂醚作为表面活性剂）、酸化的CNT（含有-COOH）和胺化的CNT（含有-NH2），它们在复合纤维中的负载量保持为40wt%（图3a）。从图3b可以看出，RC/表面活性剂处理的CNT纤维的亲水性没有明显变化，而RC/共价改性的CNT纤维由于CNT表面的羧基/氨基官能团与水分子之间形成了氢键而表现出更大的亲水性。同时，CNT表面的羧基/氨基官能团的引入恶化了CNT的电子结构和导电网络，导致纤维的电导率降低（图3c）。图3d-f显示了不同RC/CNT纤维的发电能力，图3g说明了这些观察结果的机制和发电能力差异的原因。负的表面电荷诱导水分子电离，然后H+阳离子可以在CNT的表面被吸收。随后，H+被水流带向下游，从而产生了电位差。更重要的是，酸化（和胺化）的CNTs和H2O之间的结合能从-0.035增加到-0.84 eV（和-0.59 eV），表明在CNTs中引入官能团可以提高表面电荷密度，从而获得更高的能量输出。
图4. a) 不同长度的RC/40 wt%酸化CNT纤维暴露在空气中的电力输出性能。b) 20毫米长的RC/40 wt%酸化CNT纤维的输出电压随润湿和蒸发过程（0.2毫升NaCl溶液）的反应。溶液的蒸发速度具有强烈的温度和压力依赖性，因此输出的时间长短不一。c) 20毫米长的RC/40 wt%酸化CNT纤维平行连接的输出性能。d) 包含108根RC/40 wt% CNT纤维的装置被编织成织物。e) 由36根RC/40 wt% CNT纤维串联或平行连接的1000μF商业电容充电的电压-时间曲线。插图是电荷存储电路。f) 底部。由108根RC/40 wt%的酸化CNT纤维串联或并联供电的电子计算器的照片。上图：这种纤维形状的湿电纳米发电机的一系列潜在应用。
纤维尺寸对发电能力的影响是很大的，在应用于可穿戴设备之前，对它进行了研究（图4a-c）。从1到50毫米，输出功率随着暴露在空气中的纤维长度的增加而略有增加，这可能是由距离的增加和分子迁移的数量引起的。当暴露在空气中的长度超过50毫米时，输出功率就会降低，这是因为流体力学阻力增加，离子浓度梯度降低，导致离子迁移率降低。当重复湿润和蒸发过程时，湿纺纤维观察到输出电压的周期性上升/下降，表明其稳定的输出性能和良好的可重复使用性（图4b）。值得注意的是，只要溶液存在，输出电压就可以保持不变。更重要的是，该纤维的输出性能可以通过连接更多的纤维并联而按比例提高（图4c）。在图4d-f中，三十六根串联或并联的RC/40wt%酸化CNT纤维被编织成柔性织物，为1000μF的电容器充电。仅在10分钟的充电时间内就可以达到0.4V的电压。
总结和展望
本研究报告了一种基于蒸腾作用驱动的电动力学效应的RC/CNT纤维，表现出恒定和持久的电力输出。通过大规模湿法纺丝制造的RC/CNT纤维具有亲水性和导电性的特点，大大增强了通过蒸腾作用产生的离子流，从而促进了基于电动力学效应的发电。将108根RC/CNT纤维串联或并联后，只需10分钟的充电时间就可获得1.2伏的最大电源，这足以为电子计算器提供能量而无需额外的能量输入。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202203666
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