东华大学俞建勇院士、覃小红教授团队在静电纺纳米纤维湿气发电机领域取得新进展

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近日，东华大学俞建勇院士、覃小红教授团队在静电纺纳米纤维湿气发电机领域取得重要进展，相关成果分别以“具有持久1.1伏电压输出的纳米纤维织物基离子梯度增强的湿气发电机”（Nanofiber fabric based ion-gradient-enhanced moist-electric generator with a sustained voltage output of 1.1 volts）为题，发表于Materials Horizons；以“静电纺纳米纤维织物：一种高效、透气、可穿戴的湿气发电机”（Electrospun nanofiber fabric: an efficient, breathable and wearable moist-electric generator）为题，发表于Journal of Materials Chemistry A。东华大学为唯一署名单位，论文第一作者为纺织学院博士生孙朝阳，通讯作者为覃小红教授、王黎明特聘研究员。

湿气发电作为一种新兴的绿色能量获取方式，可以利用大气环境中水蒸发或湿气中的能量产生电能，在智能可穿戴领域引起人们的广泛关注。然而，现有的湿气发电材料缺乏必要的可穿戴性能如透气性和舒适性，同时其低电压输出和复杂的制造工艺，阻碍了其实际应用。为此，研究人员以静电纺丝技术作为制备湿气发电材料的一种新策略，设计了一系列高性能的可穿戴湿气发电机，在湿气刺激下最高可达到0.83 V的输出电压，高于大部分报道的聚合物材料（图1）。并阐明了其发电机理，静电纺纳米纤维膜优异的湿气发电性能来自于多孔纤维膜内部的离子梯度差与流动电势的共同作用。具有含氧官能团的湿气发电材料在湿气刺激下，电离出自由移动的氢离子，并借由在不对称电极两侧形成的水分梯度差异形成离子梯度差异；此外纳米纤维膜孔道结构中形成的基于双电层的流动电势的又对发电性能起到了增强作用。

图1 静电纺纳米纤维膜的制备及其湿气发电性能

基于上述原理，研究人员进一步通过对湿气发电机的结构进行设计，提出引入活性金属电极的新方法，显著增强了静电纺纳米纤维膜内部的离子梯度差，从而大幅增加输出电压。如图2所示，设计的新型湿气发电机的发电电压达到了1.1 V，并保持40000 s以上的时间不衰减。该湿气发电机不仅可以通过串联增强输出电压以带动小型用电器，如商业二极管及电子手表。同时，制备的湿气发电机还可以用于氨气泄露检测以及火灾预警等灾害预警系统，拓宽了静电纺纳米纤维基湿气发电机的应用场景。以上工作为高性能湿气发电材料的研发、湿气发电机结构设计及其应用提供了新的研究思路。

图2 设计的离子梯度增强型湿气发电机与常规湿气发电机性能对比

以上工作得到了国家自然科学基金、上海市教委科研创新计划重大项目、中国科协青年人才托举工程等资助。

文章链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/mh/d1mh00565k

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d0ta11974a

来源：东华大学

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