凯发首页官网登录武汉纺织大学徐卫林院士、夏良君教授AM：仿生结构织物实现|美国v

　　凯发k8国际凯发k8娱乐官网app下载ღ★★，凯发k8一触即发ღ★★，凯发k8一触即发ღ★★，凯发电气凯发k8国际首页登录ღ★★！随着柔性电子设备的快速发展ღ★★，从环境中获取持续ღ★★、稳定的电能成为一项重要挑战凯发首页官网登录ღ★★。尽管太阳能ღ★★、热能等多种环境能量收集技术已被广泛研究ღ★★，但它们往往受限于间歇性和不稳定性ღ★★。湿气驱动发电机因其可利用广泛存在的水循环而备受关注ღ★★，然而ღ★★，如何实现高功率输出和长期稳定运行ღ★★，尤其是克服水分吸附饱和后发电中断的问题ღ★★，仍是该领域面临的主要难题ღ★★。

　　近日ღ★★，武汉纺织大学徐卫林院士ღ★★、夏良君教授和湖北大学Liu Hai合作开发出一种高效ღ★★、稳定的全天候湿气发电装置ღ★★。该装置通过在棉织物表面原位聚合聚吡咯ღ★★，并在一半区域构建聚多巴胺结构性彩色薄膜ღ★★，形成不对称的光热蒸发诱导结构ღ★★。这种名为的复合材料ღ★★，在60%相对湿度和1个太阳光照下ღ★★，可实现0.74伏的开路电压和0.72毫安的短路电流ღ★★，并能驱动白色LED灯泡持续发光超过24小时ღ★★。该设计不仅模拟了植物的蒸腾作用以维持定向湿度梯度ღ★★，还能在夜间依靠材料亲水性差异持续发电ღ★★，为可穿戴电子设备提供了创新的自供电解决方案ღ★★。相关论文以“Highly Efficient and Stable All-Weather Moisture Power Generation via Asymmetric Structured Color Photothermal Evaporation-Induced Cotton Fabrics”为题ღ★★，发表在

　　研究人员首先展示了一种仿生设计思路ღ★★。如图1所示ღ★★，该装置的工作原理模仿了树木的蒸腾驱动水流过程ღ★★。聚吡咯涂层作为强光热吸收层ღ★★，驱动水蒸发ღ★★；而聚多巴胺结构性彩色薄膜则因薄膜干涉效应反射部分光线美国vodafonewifi巨大appღ★★，降低了光热转换效率ღ★★，从而保留更多水分凯发首页官网登录ღ★★。这种两侧蒸发速率的差异ღ★★，在材料内部形成了稳定的湿度梯度美国vodafonewifi巨大appღ★★，成为驱动离子定向迁移ღ★★、产生电能的核心动力ღ★★。

　　图2详细阐述了材料的制备过程与结构特征凯发首页官网登录ღ★★。棉织物经过清洗后ღ★★，通过原位聚合覆盖上一层黑色的聚吡咯涂层ღ★★。随后ღ★★，在其一半区域进行聚多巴胺的自聚合反应美国vodafonewifi巨大appღ★★，随着反应时间从4小时延长至24小时ღ★★，薄膜因厚度变化产生干涉ღ★★，依次呈现出棕色ღ★★、蓝色凯发首页官网登录ღ★★、紫色和绿色的结构性色彩ღ★★。反射光谱和CIE色坐标分析证实了颜色与薄膜光学特性的直接关联ღ★★。扫描电镜图像进一步揭示了聚吡咯纳米颗粒均匀覆盖的粗糙纤维结构ღ★★，以及聚多巴胺薄膜形成后更为光滑的表面形貌ღ★★，这为水分传输和电荷收集提供了理想的界面ღ★★。

　　图2 （a） 制备流程示意图ღ★★；（b）不同自聚合时间下棉织物表面结构色照片ღ★★；（c）不同结构色薄膜的反射光谱ღ★★；（d）CIE 色度坐标图显示颜色随反应时间变化ღ★★。

　　该装置的核心优势在于其巧妙的不对称光热设计ღ★★。图3揭示了其高效发电的工作机制ღ★★。聚吡咯在宽光谱范围内具有高达98%的吸收率ღ★★，而紫色聚多巴胺薄膜的平均吸收率仅为74.3%ღ★★，这导致了两侧显著的光热温差凯发首页官网登录ღ★★。在氙灯照射下ღ★★，黑色聚吡咯区域与紫色聚多巴胺区域之间的温差可达8.3°Cღ★★。这种温差驱动水分从湿润的聚多巴胺侧向干燥的聚吡咯侧持续流动美国vodafonewifi巨大appღ★★。在纤维纳米通道中ღ★★，水流带动离子迁移ღ★★，在带电通道壁面形成双电层美国vodafonewifi巨大appღ★★，从而产生流动电势ღ★★。数值模拟结果直观显示ღ★★，（紫色）表面形成了显著的温度与湿度梯度ღ★★，这是传统对称结构所不具备的ღ★★。

　　图3 （a） 光热水蒸发驱动发电工作原理ღ★★；（b）PPy 与不同 PDA 结构色薄膜的吸收光谱ღ★★；（c）不同结构色样品在氙灯下的光热温度分布ღ★★；（d）不同 PDA 结构色区域与黑色区域的光热温差ღ★★；（e）光热转换效率ღ★★；（f）光热蒸发下水分梯度与电势差示意图ღ★★；（g,h）CF@PPy 与 （紫色）表面光热温度分布的模拟结果ღ★★。

　　性能测试结果充分证明了该设计的优越性ღ★★。如图4所示ღ★★，在不同湿度下ღ★★，所有样品均能产生电压ღ★★，且在60%相对湿度下性能最佳ღ★★。其中ღ★★，紫色样品的发电性能最为突出ღ★★，开路电压高达0.74伏ღ★★。在长达数小时的连续测试中ღ★★，电压和电流输出保持高度稳定ღ★★。经过弯曲凯发首页官网登录ღ★★、摩擦和水洗测试后ღ★★，其性能未见明显衰减ღ★★，展现了出色的机械稳定性与耐久性ღ★★。与未修饰的CF@PPy相比ღ★★，的输出功率密度提升了数十倍ღ★★，达到了29.2微瓦每平方厘米美国vodafonewifi巨大app凯发首页官网登录ღ★★，其综合性能在雷达图评价中全面领先ღ★★。

　　图4 （a）光照下干/湿界面电流生成机制与水分流动示意图ღ★★；（b–e）不同 PDA 结构色样品在 20–80% 湿度下的开路电压ღ★★；（f,g） 在 60% 湿度下的实时开路电压与短路电流ღ★★；（h）不同结构色样品的输出功率密度ღ★★；（i）与其他织物基水分发电系统的电压与电流密度对比ღ★★。

　　研究还深入探讨了环境因素与化学改性对发电性能的影响ღ★★。如图5所示ღ★★，适当提高环境温度或湿度（在60%以下）有助于提升输出电压ღ★★。用低pH盐酸溶液或含高价阳离子（如Fe³⁺）的盐溶液处理材料ღ★★，可通过增强质子化梯度或离子迁移效率ღ★★，进一步提升电压输出ღ★★。密度泛函理论计算表明ღ★★，水分子和氯离子在聚吡咯表面的吸附能有效诱导电荷转移ღ★★，增加表面电荷密度ღ★★。此外ღ★★，该装置对光照开关表现出快速ღ★★、可逆的电压响应ღ★★，经过数十次循环及长达一个月的环境暴露后ღ★★，其敏感性与稳定性依然保持良好ღ★★。

　　图5 （a）紫色 在 10–40℃ 温度下的开路电压变化（60% 湿度）ღ★★；（b）在 20–80% 湿度下的开路电压变化（40℃）ღ★★；（c）不同 pH HCl 溶液环境下的开路电压ღ★★；（d）不同盐溶液环境下的开路电压ღ★★；（e）水分梯度截面中质子迁移密度与电荷传导驱动力模型ღ★★；（f）纯水与 NaCl 溶液中 PPy 表面电荷积累模拟ღ★★；（g）PPy 颗粒 Zeta 电位随离子浓度变化ღ★★；（h）基于阴离子吸附的双电层形成与能量转换路径ღ★★；（i）光照开关循环下的开路电压响应ღ★★。

　　为实现实际应用ღ★★，研究人员将多个发电单元进行集成ღ★★。如图6所示ღ★★，通过并联或串联连接ღ★★，可以灵活提升输出电流或电压ღ★★。六个单元串联后在室外白天光照下可产生1.18伏电压ღ★★，在夜间无光时ღ★★，依靠材料自身亲水性差异也能维持约0.72伏的电压输出ღ★★，实现了真正的“全天候”发电ღ★★。该集成系统成功驱动了白色LED灯泡持续照明24小时ღ★★，并为数字时钟供电ღ★★。更重要的是ღ★★，研究团队将15个发电单元缝合到衣物上ღ★★，构建了可穿戴发电系统ღ★★。在室外运动场景中ღ★★，该系统不仅能利用阳光和环境湿气美国vodafonewifi巨大appღ★★，还能通过人体汗液蒸发提供额外水分ღ★★，产生足够的电力为蓝牙耳机充电ღ★★，或在夜间为手电筒供电ღ★★，展示了其在柔性可穿戴能源领域的巨大应用潜力ღ★★。

　　图6 （a）并联与串联连接的输出电流与电压ღ★★；（b）户外日夜发电示意图ღ★★；（c）白天六个串联单元的开路电压ღ★★；（d）夜间开路电压ღ★★；（e）六个串联单元在氙灯下的热成像图ღ★★；（f）驱动 LED 灯泡与电子钟的实际演示ღ★★；（g）可穿戴系统集成示意图ღ★★；（h）人体汗液蒸发供电示意图ღ★★；（i,j）为蓝牙耳机与手电筒供电的场景ღ★★。

　　这项研究成功开发出一种基于不对称光热结构的高性能ღ★★、全天候湿气发电装置ღ★★。它通过仿生设计有效维持了湿度梯度ღ★★，解决了传统湿气发电机功率输出低ღ★★、稳定性差的瓶颈问题ღ★★。该装置兼具高效率ღ★★、高稳定性和良好的柔性ღ★★，其模块化设计为构建可穿戴自供电系统提供了通用平台ღ★★。未来ღ★★，这种将环境湿气与太阳能相结合的能量收集策略ღ★★，有望为物联网传感器ღ★★、便携式电子设备及智能纺织品提供一种可持续ღ★★、免维护的绿色能源解决方案ღ★★。