青島能源所制備生物基納米纖維氣凝膠發(fā)電器件

　　隨著能源危機和環(huán)境問題的日益加劇，綠色、可再生能源器件的研究和應用得到了全球的廣泛關注。其中，太陽能、熱能、機械能、風能、生物電化學能源等陸續(xù)被用來發(fā)電，在自供電系統(tǒng)和可穿戴領域有廣泛的應用前景。然而，上述能源形式在應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)的相對運動，對材料與裝置的機械性能要求較高。

　　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)的相互作用實現(xiàn)的。例如，曲良體等人將氧化石墨烯薄膜通過電化學方法處理后，膜上下表面的含氧官能團呈現(xiàn)出一種可控的梯度分布狀態(tài)。這種含氧官能團的梯度分布結構，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)正負電荷分離并發(fā)生定向移動，從而使上下表面產生0.2V的電勢差。但是，碳納米材料的宏量制備難度較大、成本較高，復雜的器件結構也影響了大規(guī)模應用。低成本、高性能的濕氣發(fā)電材料與器件研發(fā)依然是該領域研究的重點與難點。

　　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輸會產生流動電勢；細胞膜由于內外離子及濃度差異，存在跨膜電勢。盡管生物質產量巨大，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)。

　　近日，中國科學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。這主要是因為一方面生物基納米纖維材料表面具有豐富的親水基團(例如羥基、羧基、季銨基團、氨基等)；另一方面基于開爾文毛細冷凝原理，納米纖維的小尺寸效應(直徑一般<10nm)和氣凝膠的層級孔道結構更有利于蒸汽的凝結(圖1)。因此，當具有一定濕度(相對濕度>50%)的氣流通過該氣凝膠時，蒸汽會以結合水和自由水的形式被氣凝膠捕獲，纖維表面羧基等基團解離進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)達到平衡，氣凝膠內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。進一步研究表明該發(fā)電機基本符合斯莫魯霍夫斯基流動電勢公式(圖2)。

　　     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，并且生物納米纖維可以利用農林與漁業(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)有濕氣產生，其發(fā)電信號可能與活動劇烈情況密切相關，有望用于自供電健康監(jiān)測器件。該研究發(fā)表于近期的《先進功能材料》雜志上。