武漢紡織大學徐衛林院士、夏良君教授AM：仿生結構織物實現高效全天候濕氣發電

隨著柔性電子設備的快速發展，從環境中獲取持續、穩定的電能成為一項重要挑戰。盡管太陽能、熱能等多種環境能量收集技術已被廣泛研究，但它們往往受限于間歇性和不穩定性。濕氣驅動發電機因其可利用廣泛存在的水循環而備受關注，然而，如何實現高功率輸出和長期穩定運行，尤其是克服水分吸附飽和后發電中斷的問題，仍是該領域面臨的主要難題。

近日，武漢紡織大學徐衛林院士、夏良君教授和湖北大學Liu Hai合作開發出一種高效、穩定的全天候濕氣發電裝置。該裝置通過在棉織物表面原位聚合聚吡咯，并在一半區域構建聚多巴胺結構性彩色薄膜，形成不對稱的光熱蒸發誘導結構。這種名為CF@PPy@PDA的復合材料，在60%相對濕度和1個太陽光照下，可實現0.74伏的開路電壓和0.72毫安的短路電流，并能驅動白色LED燈泡持續發光超過24小時。該設計不僅模擬了植物的蒸騰作用以維持定向濕度梯度，還能在夜間依靠材料親水性差異持續發電，為可穿戴電子設備提供了創新的自供電解決方案。相關論文以“Highly Efficient and Stable All-Weather Moisture Power Generation via Asymmetric Structured Color Photothermal Evaporation-Induced Cotton Fabrics”為題，發表在

Advanced Materials

研究人員首先展示了一種仿生設計思路。如圖1所示，該裝置的工作原理模仿了樹木的蒸騰驅動水流過程。聚吡咯涂層作為強光熱吸收層，驅動水蒸發；而聚多巴胺結構性彩色薄膜則因薄膜干涉效應反射部分光線，降低了光熱轉換效率，從而保留更多水分。這種兩側蒸發速率的差異，在材料內部形成了穩定的濕度梯度，成為驅動離子定向遷移、產生電能的核心動力。

圖1 | CF@PPy@PDA 光熱驅動發電模型示意圖。

圖2詳細闡述了材料的制備過程與結構特征。棉織物經過清洗后，通過原位聚合覆蓋上一層黑色的聚吡咯涂層。隨后，在其一半區域進行聚多巴胺的自聚合反應，隨著反應時間從4小時延長至24小時，薄膜因厚度變化產生干涉，依次呈現出棕色、藍色、紫色和綠色的結構性色彩。反射光譜和CIE色坐標分析證實了顏色與薄膜光學特性的直接關聯。掃描電鏡圖像進一步揭示了聚吡咯納米顆粒均勻覆蓋的粗糙纖維結構，以及聚多巴胺薄膜形成后更為光滑的表面形貌，這為水分傳輸和電荷收集提供了理想的界面。

圖2 | （a）CF@PPy@PDA 制備流程示意圖；（b）不同自聚合時間下棉織物表面結構色照片；（c）不同結構色薄膜的反射光譜；（d）CIE 色度坐標圖顯示顏色隨反應時間變化。

該裝置的核心優勢在于其巧妙的不對稱光熱設計。圖3揭示了其高效發電的工作機制。聚吡咯在寬光譜范圍內具有高達98%的吸收率，而紫色聚多巴胺薄膜的平均吸收率僅為74.3%，這導致了兩側顯著的光熱溫差。在氙燈照射下，黑色聚吡咯區域與紫色聚多巴胺區域之間的溫差可達8.3°C。這種溫差驅動水分從濕潤的聚多巴胺側向干燥的聚吡咯側持續流動。在纖維納米通道中，水流帶動離子遷移，在帶電通道壁面形成雙電層，從而產生流動電勢。數值模擬結果直觀顯示，CF@PPy@PDA（紫色）表面形成了顯著的溫度與濕度梯度，這是傳統對稱結構所不具備的。

圖3 | （a）CF@PPy@PDA 光熱水蒸發驅動發電工作原理；（b）PPy 與不同 PDA 結構色薄膜的吸收光譜；（c）不同結構色樣品在氙燈下的光熱溫度分布；（d）不同 PDA 結構色區域與黑色區域的光熱溫差；（e）光熱轉換效率；（f）光熱蒸發下水分梯度與電勢差示意圖；（g,h）CF@PPy 與 CF@PPy@PDA（紫色）表面光熱溫度分布的模擬結果。

性能測試結果充分證明了該設計的優越性。如圖4所示，在不同濕度下，所有CF@PPy@PDA樣品均能產生電壓，且在60%相對濕度下性能最佳。其中，紫色樣品的發電性能最為突出，開路電壓高達0.74伏。在長達數小時的連續測試中，電壓和電流輸出保持高度穩定。經過彎曲、摩擦和水洗測試后，其性能未見明顯衰減，展現了出色的機械穩定性與耐久性。與未修飾的CF@PPy相比，CF@PPy@PDA的輸出功率密度提升了數十倍，達到了29.2微瓦每平方厘米，其綜合性能在雷達圖評價中全面領先。

圖4 | （a）光照下干/濕界面電流生成機制與水分流動示意圖；（b–e）不同 PDA 結構色樣品在 20–80% 濕度下的開路電壓；（f,g）CF@PPy@PDA 在 60% 濕度下的實時開路電壓與短路電流；（h）不同結構色樣品的輸出功率密度；（i）與其他織物基水分發電系統的電壓與電流密度對比。

研究還深入探討了環境因素與化學改性對發電性能的影響。如圖5所示，適當提高環境溫度或濕度（在60%以下）有助于提升輸出電壓。用低pH鹽酸溶液或含高價陽離子（如Fe3?）的鹽溶液處理材料，可通過增強質子化梯度或離子遷移效率，進一步提升電壓輸出。密度泛函理論計算表明，水分子和氯離子在聚吡咯表面的吸附能有效誘導電荷轉移，增加表面電荷密度。此外，該裝置對光照開關表現出快速、可逆的電壓響應，經過數十次循環及長達一個月的環境暴露后，其敏感性與穩定性依然保持良好。

圖5 | （a）紫色 CF@PPy@PDA 在 10–40℃ 溫度下的開路電壓變化（60% 濕度）；（b）在 20–80% 濕度下的開路電壓變化（40℃）；（c）不同 pH HCl 溶液環境下的開路電壓；（d）不同鹽溶液環境下的開路電壓；（e）水分梯度截面中質子遷移密度與電荷傳導驅動力模型；（f）純水與 NaCl 溶液中 PPy 表面電荷積累模擬；（g）PPy 顆粒 Zeta 電位隨離子濃度變化；（h）基于陰離子吸附的雙電層形成與能量轉換路徑；（i）光照開關循環下的開路電壓響應。

為實現實際應用，研究人員將多個發電單元進行集成。如圖6所示，通過并聯或串聯連接，可以靈活提升輸出電流或電壓。六個單元串聯后在室外白天光照下可產生1.18伏電壓，在夜間無光時，依靠材料自身親水性差異也能維持約0.72伏的電壓輸出，實現了真正的“全天候”發電。該集成系統成功驅動了白色LED燈泡持續照明24小時，并為數字時鐘供電。更重要的是，研究團隊將15個發電單元縫合到衣物上，構建了可穿戴發電系統。在室外運動場景中，該系統不僅能利用陽光和環境濕氣，還能通過人體汗液蒸發提供額外水分，產生足夠的電力為藍牙耳機充電，或在夜間為手電筒供電，展示了其在柔性可穿戴能源領域的巨大應用潛力。

圖6 | （a）并聯與串聯連接的輸出電流與電壓；（b）戶外日夜發電示意圖；（c）白天六個串聯單元的開路電壓；（d）夜間開路電壓；（e）六個串聯單元在氙燈下的熱成像圖；（f）驅動 LED 燈泡與電子鐘的實際演示；（g）可穿戴系統集成示意圖；（h）人體汗液蒸發供電示意圖；（i,j）為藍牙耳機與手電筒供電的場景。

這項研究成功開發出一種基于不對稱光熱結構的高性能、全天候濕氣發電裝置。它通過仿生設計有效維持了濕度梯度，解決了傳統濕氣發電機功率輸出低、穩定性差的瓶頸問題。該裝置兼具高效率、高穩定性和良好的柔性，其模塊化設計為構建可穿戴自供電系統提供了通用平臺。未來，這種將環境濕氣與太陽能相結合的能量收集策略，有望為物聯網傳感器、便攜式電子設備及智能紡織品提供一種可持續、免維護的綠色能源解決方案。