华南理工大学瞿金平院士、黄照夏副教授AM：“深共晶生物质复合物”水伏发电机，实现快速发电与超长续航

在全球能源危机日益严峻的背景下，开发绿色、可再生的能源转换技术成为科学界和产业界关注的焦点。水伏发电技术（Hydrovoltaic Power Generation, HPG）因其能够从环境中直接获取水分并转化为电能而备受瞩目。然而，目前主流的水伏发电材料普遍存在一个难以调和的矛盾：要么只能实现短暂的瞬时高功率输出，要么虽然能维持较长时间的电压输出，却对湿度变化响应迟缓，且在低湿度或无水条件下性能迅速衰减。这一瓶颈严重限制了水伏发电技术的实际应用与环境适应性。同时，电子废弃物的回收问题也对该类材料的可持续性提出更高要求。

为破解上述难题，华南理工大学瞿金平院士、黄照夏副教授团队提出了一种创新的生物质基加工策略，成功构建出一种名为“深共晶生物质复合物”（Deep Eutectic Biomass Complex, DEBC）的新型材料。该材料由天然玉米淀粉与无毒氯化胆碱通过热机械加工直接复合而成，形成一种稳定且敏感的氢键网络，兼具快速响应与持久输出能力。DEBC在30%相对湿度下无需持续供水即可维持超过400毫伏的开路电压达10500秒，并在冬季开放环境中持续输出电压达25天。其湿度响应灵敏度高达265000%，可在水分流动下迅速诱导Grotthuss质子跃迁机制，实现每秒113.8毫伏的快速电压生成。该研究不仅突破了水伏发电材料在响应速度与持续时间之间的权衡，还实现了材料的循环利用与生态闭环，为下一代可再生、环境适应性强的高性能水伏发电技术提供了全新路径。相关论文以“Regenerative Hydrovoltaic Power Generator with Remarkable Duration and Fast Power Generation Achieved by Deep Eutectic Biomass Complex”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队通过热机械挤出工艺将玉米淀粉与氯化胆碱共混，制备出柔性可扭曲的DEBC线材。该材料在微观层面呈现出“乳状态—糊状态—凝胶态”的三阶段相变过程，表明氯化胆碱与淀粉分子链之间形成了类似深共晶溶剂的氢键复合结构。广角X射线衍射与红外光谱分析进一步证实，氯化胆碱能有效破坏淀粉的结晶结构，显著降低其结晶度，增强分子链的流动性与可塑性。这种强氢键作用不仅提升了材料的加工性能，也为后续的水吸附与质子传导奠定了基础。

图1 a) DEBC生态循环示意图，涵盖生成、制备、应用与回收全过程。b) 挤出SC复合材料的实物照片。c) 在30%相对湿度下施加湿气流时SC复合材料的开路电压（Voc）变化，插图为发电速率。d) 本研究DEBC与其他类型水伏材料在湿气移除后Voc与持续时间的对比。

在基础性能测试中，DEBC展现出优异的机械柔性、吸湿性与电导率。其在90%相对湿度下的电导率可达1.04 S/m，远超传统热塑性淀粉材料。同时，DEBC对湿度变化极为敏感，在30%至90%相对湿度范围内电阻变化率高达265000%，可实时响应环境湿度变化并驱动LED亮度变化，循环稳定性超过100次，表现出极佳的传感稳定性与可重复性。

图2 a) 微型双螺杆挤出机内热机械加工过程照片及DEBC三种状态（乳状、糊状、凝胶态）与氢键结合示意图。b) 不同摩尔比下SC混合物的玻璃化转变温度曲线，显示共晶点约为80.7°C。c) SG与SC复合材料的1D-WAXD曲线及d) 对应结晶度计算结果。e) 原料淀粉、氯化胆碱、SG与SC复合材料的FTIR光谱。f) 基于GLY与CC含量的二维相关光谱（2D-COS）同步与异步图谱。

图3 a) SGx与SCx的应力-应变曲线及b,c) 对应的韧性、拉伸强度与断裂伸长率。d) 不同湿度下SCx的电导率变化。e) SC0.7在不同湿度下的平衡电阻。f) SC0.7在30%至90%相对湿度下的相对电阻变化（∆R/R0）。g) SC0.7在不同湿度下实时控制LED亮度的响应曲线。h) SC0.7在50%与70%相对湿度之间循环100次的稳定性测试。

在水伏发电性能方面，DEBC在30%相对湿度下通过定向湿气流激发，可在1.52秒内生成0.16伏电压，并在20分钟内达到0.46伏的稳定输出，短路电流达1.51微安。其输出功率在连接外部电阻时最高可达107.43纳瓦。更值得注意的是，DEBC在停止湿气供给后，仍能在低湿度环境下维持0.4伏以上的电压超过10500秒，远优于现有无机、聚合物及生物质类水伏材料。通过氢/氘同位素效应实验与开尔文探针力显微镜观测，研究团队确认DEBC表面在高湿度下可诱导水分子分解并形成Grotthuss质子跃迁通道，实现快速电荷分离与传输。同时，材料内部的氢键网络在不同湿度下发生可逆重构，协同促进质子的持续迁移与电压维持。

图4 a) SC0.7在30%相对湿度下由湿气流激发的短路电流（Isc）变化，插图为局部放大图。b) 不同外接电阻下输出功率变化曲线。c) 不同充电时间下的最大Voc及其持续时间。d) 不同环境湿度下DEBC的平均发电速率。e) DEBC与其他类型水伏材料在发电速率与持续时间方面的对比。f) SC0.7在H2O与D2O环境下的电导率比值，证实Grotthuss质子跃迁机制。g) SC0.7在30%与90%相对湿度下的KPFM表面电势图像。h) 基于湿度变化FTIR光谱的PCMW分析图谱。i) DEBC中Grotthuss质子跃迁与车辆机制协同作用示意图。

在实际应用层面，DEBC已被成功应用于自供电呼吸监测系统，可精准捕捉行走、跑步及咳嗽等状态下的人体呼吸信号，电压响应范围在5至25毫伏之间，信号分辨率高。团队还将多个DEBC单元串联组成模块，成功为低功耗温湿度计供电，使其连续运行超过3分钟。此外，DEBC在开放环境中展现出卓越的环境适应性：在夏季高温高湿条件下可维持50毫伏输出达14天，在冬季低温低湿条件下仍可保持25毫伏输出超过25天，验证其在极端气候条件下的稳定性与耐久性。

图5 a,b) SC0.7作为呼吸监测器在行走、跑步与咳嗽状态下的电压响应信号。c) SC0.7在不同充电时间下为100μF电容器充电的Voc曲线及d) 对应的累积电荷量。e) SC0.7单元装入电池盒并组成模块为低功耗温湿度计供电的照片。g) 单个DEBC单元在夏冬两季开放环境中连续Voc输出记录。

综上所述，该研究提出了一种基于天然生物质与无毒小分子构建的深共晶复合策略，成功开发出兼具快速响应与超长续航能力的DEBC水伏发电材料。其优异的湿度敏感性、电导率、机械柔性及环境适应性，使其在可穿戴电子、自供电传感器及便携式能源设备等领域展现出广阔的应用前景。该成果不仅为水伏发电技术提供了新的材料体系，也为实现绿色、可再生、可循环的电子能源系统提供了重要技术支撑。

来源：高分子科学前沿

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