文獻快訊：Adv. Mater. 植物蒸騰啟發的不對稱結構棉織物實現高效光熱蒸發發電

【成果掠影 & 研究背景】

隨著柔性可穿戴電子設備的快速發展，從無處不在的水循環中收集電能已成為備受關注的研究方向。然而，開發具有高功率輸出和穩定性的濕氣驅動發電機仍然面臨巨大挑戰。傳統濕氣發電機依賴自發的水分子吸附與擴散，通常輸出功率較低（毫伏級別），且在水分吸附飽和后難以持續發電。

受植物葉片蒸騰作用驅動水份單向流動的啟發，湖北工程學院、武漢紡織大學等團隊在《Advanced Materials》上報道了一種新型光熱蒸發驅動的濕氣發電機。研究團隊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色薄膜，形成了不對稱的光熱溫度梯度。這種設計巧妙地解決了因水分吸附飽和導致的發電不持續問題，同時緩解了過度水分蒸發造成濕度梯度不穩定的難題。在60%相對濕度和1個太陽光照條件下，紫色的CF@PPy@PDA器件實現了高達0.74 V的開路電壓和0.72 mA的短路電流，并能驅動白色LED燈泡持續發光超過24小時。該發電機在白天（平均光照強度1000 W m?2，濕度43%）通過六個單元串聯可獲得1.18 V電壓，在夜間（濕度52%）也能維持0.72 V的電壓輸出。集成的可穿戴系統能在自然條件下為藍牙耳機、手電筒等電子設備提供充足電力，實現了真正意義上的全天候能量收集。

【創新點 & 圖文摘要】

創新點：

• 仿生設計與機理創新：模仿植物葉片蒸騰作用，首次在織物上構建不對稱結構色光熱層。聚多巴胺結構色薄膜區域光熱轉換效率較低、保水性強，而黑色聚吡咯區域光熱轉換效率高、蒸發強烈，從而自發形成并維持了一個穩定的定向濕度梯度，為電荷遷移提供了持續驅動力。

• 性能突破與全天候工作：通過光熱蒸發驅動，將濕氣發電機的輸出電壓提升至0.74V（60% RH），遠超傳統自發蒸發器件。更重要的是，利用PDA與PPy區域親水性的差異，器件在無光照的夜間也能依靠濕度梯度產生0.72V電壓，實現了晝夜不間斷的“全天候”發電。

• 材料與結構協同：利用聚多巴胺薄膜的結構色特性（通過聚合時間可調呈現藍、紫、綠等顏色），主動調控不同區域的光吸收與光熱轉換效率。其中紫色薄膜區域光吸收率最低（74.3%），與PPy區域形成了8.3°C的最大光熱溫差，從而優化了濕度梯度和發電性能。

• 器件的柔性、穩定與可擴展性：基于棉織物的器件表現出優異的柔韌性、耐彎折和耐摩擦性能，經過100次彎曲或摩擦后輸出性能保持穩定。該制備工藝簡單，易于大面積制造和定制，可通過單元的串并聯靈活提升輸出電壓或電流，例如六個并聯可將電流增至3.9 mA，串聯可得2.6 V電壓。

• 系統集成與實際應用演示：成功將多個發電單元集成到可穿戴衣物中，構建了自供電系統。在實際戶外場景中，該系統不僅能收集陽光和環境濕氣，還能利用人體汗液蒸發，為藍牙耳機充電、驅動數字鐘表持續運行，并在夜間為LED手電筒供電，充分展示了其作為便攜式柔性電源的實用潛力。

Figure 1: 光熱蒸發驅動的濕氣發電概念示意圖。

Figure 2: CF@PPy@PDA的制備與結構表征。

Figure 3: CF@PPy@PDA的光熱性能與濕度梯度形成原理。

Figure 4: CF@PPy@PDA的濕氣發電性能。

Figure 5: 環境因素與化學處理對發電性能的影響及機理分析。

Figure 6: 集成器件戶外性能及可穿戴應用演示。

【總結 & 原文鏈接】

總之，本研究成功開發了一種柔性、高效且穩定的光熱蒸發驅動濕氣發電機。通過在原位聚合聚吡咯的棉織物上構建不對稱的聚多巴胺結構色薄膜，巧妙建立了持久的定向濕度梯度，從而顯著提升了濕氣發電的輸出電壓、電流及穩定性。該器件不僅實現了在光照條件下的高性能發電，更憑借材料本征的親水性差異實現了夜間連續工作，攻克了傳統濕氣發電機無法持續供電的瓶頸。基于其優異的柔性、可擴展性和易于集成的特點，該工作為構建新一代全天候、自適應的可穿戴能源系統提供了創新思路和實用化平臺，有望推動柔性電子設備在無源供能方向的發展。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202518736

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