西北工业大学黄维院士团队于海东、梁飞等AFM：由剪纸驱动的可拉伸纸基水伏发电机

面对紧迫的能源危机，全球对绿色能源的需求越来越大。研究人员专注于开发新的能源转换技术，以利用清洁和可再生能源发电。其中，水能是一种容易获得且环保的资源，也称为水力发电。利用水电是收集绿色能源的有效方式，并提出了各种新型水力发电方式。这些水力发电方法利用水和固体表面之间交换的能量，将其转化为具有巨大应用潜力的绿色电力。特别是，水伏发电机（HEG）表现出稳定的功率输出和低环境影响，因为HEG中使用连续的毛细作用和普遍的蒸发过程来驱动液体流过固体带电通道，从而从环境中获取能量。在过去的几年里，在海绵上开发了各种柔性HEG，织物水凝胶、纸张等，逐渐取代刚性的HEG，应用范围更广。然而，这些HEG有限的单平面结构和不可拉伸特性极大地限制了它们在复杂和可变条件下的适用性，尤其是在可穿戴电子领域。

为了解决这一问题，西北工业大学黄维院士团队于海东教授、梁飞副教授等从中国传统剪纸艺术中获得灵感，将激光切割的剪纸图案与功能化纸张结合，设计出独特的可拉伸结构，这种可拉伸的纸基水伏发电机（SP-HEG）在外部形变时，折纸结构适应变形，保持微观多孔结构，确保输出稳定。其产生的开路电压和短路电流可达1.2 V以及6.0 μA，并在300%伸长率下仍保持稳定发电。SP-HEG在500次拉伸循环后未见明显退化，表现出优异的耐用性和可靠性。这项研究为设计可变形能量收集器开辟了一种新的策略，拓宽了水伏发电机在可穿戴领域的潜在应用。相关工作以“A Kirigami-Driven Stretchable Paper-Based Hydrovoltaic Electricity Generator”发表在《Advance Functional Materials》。

【功能化纸张表征】

研究者的主要目标是创造一种在变形条件下兼具拉伸性、形状适应性和输出稳定性能的纸基水伏发电机（SP-HEG）。纸的多孔结构在变形时保持稳定，易于切割，用于构建和优化折纸结构。纸中的纤维通过氢键紧密结合在一起，这有助于在纸基设备变形时保持纸基材的原始多孔结构，这种氢键结构确保了SP-HEG的输出性能在变形下也能保持稳定，并在纸上添加炭黑（CBs）作为制造水伏发电机（HEG）的功能材料。

含CBs的纸张表征。a-c）加载CBs前后纸纤维的SEM图像d）CBs@paper的Zeta电位（红线）和CBs/PVA@paper（蓝线）。e）PVA改性前后CBs脱落的照片。f）柔性CBs/PVA@paper 的照片。g）纸表面疏水处理示意图。h，i）CBs/PVA@paper的亲水和疏水部分的接触角表征。j）CBs/PVA@paper的潮湿和干燥区域的照片。

【纸基HEG的机制】

首先研究者对纸基HEG的机制进行了研究，纸基HEG的一端暴露在水中时，毛细管压力会导致水通过通道迅速扩散。CBs/PVA@paper表现出负zeta电位，使其能够选择性地吸引带正电荷的H+3O离子。这种相互作用在液-固界面处形成双电层（EDL）。H+3O的流动在水中产生离子浓度梯度，导致在产生水伏电输出时产生电位差。同时，表面蒸发效应不断补充另一端的水，确保渠道内的水流稳定。研究者所设计的纸基HEG的干湿不对称结构保持了永久的干湿分布，这对于长时间的持续发电至关重要。这种湿法和干法的不对称分布将输出时间从20秒延长到几分钟或更长时间，这对于纸基HEG的实际应用非常有效。

纸基HEG的表征。a）纸基HEG的水伏电输出过程示意图。b）纸基HEG的干湿不对称分布。c）疏水处理前后的纸基HEG的开路电压（嵌入的图表是部分放大的视图）。d）具有不同CBs含量的纸基HEG产生的开路电压。

【纸基HEG的尺寸对电输出性能的影响】

随后研究者对纸基HEG的尺寸对产出性能的影响进行了研究。通过设计不同尺寸的SP-HEG，以研究有效长度（Le）和有效宽度（We）对输出性能的影响。随着Le的增加，开路电压最初增加然后稳定，而短路电流则趋于减小。随着We的增加，短路电流增加，而开路电压基本保持不变。当使用Le或We作为变量时，大块纸张的长度和宽度对输出性能有显著影响。然而，对于kirigami结构的We，过宽可能会阻碍SP-HEG的面外变形，从而降低拉伸性能，而过窄则可能会影响SP-HEG的机械强度。因此，在为不同应用设计SP-HEG结构时，应考虑输出性能和机械性能的结合。

SP-HEGs在不同结构条件下的输出性能。a）切纸结构的SP-HEG水流道的有效长度和有效宽度。b，c）不同有效长度的SP-HEGs的输出性能。d，e）不同有效宽度的SP-HEGs的输出性能。

【拉伸性能测试】

这种基于kirigami结构的切割策略使研究者能够设计出具有拉伸能力的SP-HEG。尽管散装纸的强度为2.0 MPa，但由于剪纸结构中的间隙，SP-HEG的强度仅为80.0 kPa，但SP-HEG的应变从不到30%增加到300%。同时，实验还表明当对SP-HEG施加0-200%的单轴应变时，其输出性能保持相对稳定，几乎不受应变的影响，开路电压为1.2 V和短路电流约为6.0 μA。通过仿真模拟了SP-HEG在50%、100%、150%和200%不同应变下的拉伸行为，当应变为50%时，应力仅集中在折纸结构的间隙处。SP-HEG的应力集中和影响面积随着应变的增加而增加，应力分布开始从剪纸结构中的间隙向外延伸。仿真结果与实际拉伸行为相匹配，证明了这种在一定范围内对应变不敏感的机制。

SP-HEGs在拉伸条件下的输出性能。a）纸基HEG和SP-HEG的应力-应变曲线。插图：纸基HEG和SP-HEG的示意图。b）SP-HEG在拉伸状态下的电输出性能。c）SP-HEG在不同应变下的拉伸行为的照片和模拟图。e）SP-HEG在不同应变下的应力分析。f）SP-HEG在循环拉伸条件下的照片。g）SP-HEG在500次拉伸循环（0-200%）下的输出性能。插图：不同周期的 SP-HEG的SEM图像。

【输出性能表征】

研究者对SP-HEG输出性能进行了表征并证明了该器件具有人体可穿戴应用的可行性。通过串联和并联连接多个SP-HEG，可以放大输出性能，例如直接点亮LED或为电子手表提供动力，确保设备稳定运行。最后将SP-HEG佩戴在人体皮肤表面，证明汗液中电解质的浓度随着志愿者长时间运动以及汗液中电解质的积累而增加，导致SP-HEG短路电流的升高。同时SP-HEG在长期汗水浸湿的条件下保持优异的输出稳定性，证明了其在可穿戴汗液发电应用场景中的适用性。

SP-HEG在电子设备供电中的应用。a）SP-HEG 在不同负载电阻值下的输出性能。b）SP-HEG在不同负载电阻值下的功率密度。插图：电路系统图。c）SP-HEG为商用电容器充电。插图：用于为电容器容量为 3.3、10和 22 μF的商用电容器充电的电路连接。超频串联的不同数量的 SP-HEG的SP-HEG的e）我SC并联不同数量的 SP-HEG 的 SP-HEG的SP-HE 的f）两个串联的 SP-HEG 驱动一个蓝色LED。g）SP-HEG输出在手指弯曲条件下稳定。插图：SP-HEG粘附在手指关节上。h）SP-HEG 输出在手腕弯曲条件下保持稳定。插图：SP-HEG 粘附在腕关节上。i）一个由 6 个 SP-HEG 组成的阵列，为电子表供电。

SP-HEG用于汗液监测。a）SP-HEG 作为自供电和可穿戴汗液监测平台的示意图，用于监测人体汗液中的电解质。b）SP-HEG短路电流与不同浓度的NaCl水溶液的关系。c）短路电流和NaCl浓度之间的拟合曲线。d）SP-HEGs在不同NaCl浓度人造汗液中的短路电流。e）短路电流和人工汗液中的NaCl浓度之间的拟合曲线。f）对志愿者运动后出汗的SP-HEG不同时间的短路电流。

【小结】

研究者成功设计并开发了一种水伏发电器件，该器件采用折纸结构，使其灵活、可拉伸、简单、具有成本效益和环境可持续性。利用水的自然蒸发过程，该器件能够实现开路电压为1.2 V、短路电流为6.0 μA。通过简单的串联和并联连接，以满足可穿戴电子设备的功率要求，展示了该系统的多功能性和潜在的可扩展性。鉴于SP-HEG卓越的拉伸能力和离子灵敏度，它作为灵活且可穿戴的自供电汗液监测传感器具有巨大潜力。

课题组常年招收博士后，科研助理，交流学生等，25年招收博士2名，欢迎柔性电子材料，电子电路分析，传感与能量收集器件方向的同学加入绿色柔性电子课题组，请联系iamfliang@nwpu.edu.cn

来源：高分子科学前沿

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