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2019-06-23
??隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加劇，綠色、可再生能源器件的研究和應(yīng)用得到了全球的廣泛關(guān)注。其中，太陽能、熱能、機(jī)械能、風(fēng)能、生物電化學(xué)能源等陸續(xù)被用來發(fā)電，在自供電系統(tǒng)和可穿戴領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。然而，上述能源形式在應(yīng)用上仍然有較多限制，例如太陽能發(fā)電裝置需要持續(xù)光照；摩擦或者壓力發(fā)電需要持續(xù)的相對運(yùn)動，對材料與裝置的機(jī)械性能要求較高；風(fēng)能發(fā)電往往對低于要求相對較高。最近，濕氣作為自然界和生物過程中廣泛存在的資源正被用來發(fā)電，擴(kuò)展了自然界中可用來發(fā)電的資源。然而，目前濕氣發(fā)電主要是依靠碳納米材料與水（水汽）的相互作用實(shí)現(xiàn)的。例如，曲良體等人將氧化石墨烯薄膜通過電化學(xué)方法處理后，膜上下表面的含氧官能團(tuán)呈現(xiàn)出一種可控的梯度分布狀態(tài)。這種含氧官能團(tuán)的梯度分布結(jié)構(gòu)，使薄膜一旦接觸濕氣，上下表面的濕度也會呈現(xiàn)出梯度排布，這會引發(fā)正負(fù)電荷分離并發(fā)生定向移動，從而使上下表面產(chǎn)生0.2 V的電勢差。但是，碳納米材料的宏量制備難度較大、成本較高，復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)也影響了大規(guī)模應(yīng)用。低成本、高性能的濕氣發(fā)電材料與器件研發(fā)依然是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)內(nèi)容。
另一方面，在自然界中，很多生物體及人體生理過程中伴隨著基于體液/組織液的生物電現(xiàn)象。例如，樹液在樹干中自下往上運(yùn)輸會產(chǎn)生流動電勢；細(xì)胞膜由于內(nèi)外離子及濃度差異，存在跨膜電勢。盡管生物質(zhì)產(chǎn)量巨大，成本低廉且綠色可再生，利用生物基材料與水/濕氣的相互作用制備發(fā)電裝置，仍然具有很大的挑戰(zhàn)。
圖1 生物基納米纖維的制備、結(jié)構(gòu)及其取向氣凝膠的制備和吸濕性能示意和表征。
近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所李朝旭研究組發(fā)現(xiàn)：生物質(zhì)納米纖維（纖維素納米纖維、蠶絲納米纖維、甲殼素納米纖維、Amyloid納米纖維等）氣凝膠具有良好的空氣吸濕性能。這主要是因?yàn)橐环矫嫔锘{米纖維材料表面具有豐富的親水基團(tuán)（例如羥基、羧基、季銨基團(tuán)、氨基等）；另一方面基于開爾文毛細(xì)冷凝原理，納米纖維的小尺寸效應(yīng)（直徑一般<10nm）和氣凝膠的層級孔道結(jié)構(gòu)更有利于蒸汽的凝結(jié)（圖1）。因此，當(dāng)具有一定濕度（相對濕度>50%）的氣流通過該氣凝膠時，蒸汽會以結(jié)合水和自由水的形式被氣凝膠捕獲，纖維表面羧基等基團(tuán)解離進(jìn)而在纖維表面形成雙電層，氣凝膠前后具有濕度差，前端濕氣冷凝與后端的水分蒸發(fā)達(dá)到平衡，氣凝膠內(nèi)部表面和孔道中的溶液流動形成流動電勢，從而制成生物基納米纖維氣凝膠濕氣發(fā)電機(jī)。進(jìn)一步研究表明該發(fā)電機(jī)基本符合斯莫魯霍夫斯基流動電勢公式（圖2）。
圖2 纖維素納米纖維氣凝膠濕氣發(fā)電機(jī)發(fā)電性能與機(jī)理分析。
本研究制備的生物基納米纖維氣凝膠發(fā)電器件具有成本低、生物相容高、可降解等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且生物納米纖維可以利用農(nóng)林與漁業(yè)廢棄物為原料制備。該器件適于小型可穿戴電子器件的供電，而且由于人體活動（呼吸、出汗等）有濕氣產(chǎn)生，其發(fā)電信號可能與活動劇烈情況密切相關(guān)，有望用于自供電健康監(jiān)測器件。該研究發(fā)表于近期的《先進(jìn)功能材料》雜志上。
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