武汉纺织大学徐卫林院士、夏良君教授AM：仿生结构织物实现高效全天候湿气发电

随着柔性电子设备的快速发展，从环境中获取持续、稳定的电能成为一项重要挑战。尽管太阳能、热能等多种环境能量收集技术已被广泛研究，但它们往往受限于间歇性和不稳定性。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，然而，如何实现高功率输出和长期稳定运行，尤其是克服水分吸附饱和后发电中断的问题，仍是该领域面临的主要难题。

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

Advanced Materials

研究人员首先展示了一种仿生设计思路。如图1所示，该装置的工作原理模仿了树木的蒸腾驱动水流过程。聚吡咯涂层作为强光热吸收层，驱动水蒸发；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，降低了光热转换效率，从而保留更多水分。这种两侧蒸发速率的差异，在材料内部形成了稳定的湿度梯度，成为驱动离子定向迁移、产生电能的核心动力。

图1 | CF@PPy@PDA 光热驱动发电模型示意图。

图2详细阐述了材料的制备过程与结构特征。棉织物经过清洗后，通过原位聚合覆盖上一层黑色的聚吡咯涂层。随后，在其一半区域进行聚多巴胺的自聚合反应，随着反应时间从4小时延长至24小时，薄膜因厚度变化产生干涉，依次呈现出棕色、蓝色、紫色和绿色的结构性色彩。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。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，以及聚多巴胺薄膜形成后更为光滑的表面形貌，这为水分传输和电荷收集提供了理想的界面。

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

该装置的核心优势在于其巧妙的不对称光热设计。图3揭示了其高效发电的工作机制。聚吡咯在宽光谱范围内具有高达98%的吸收率，而紫色聚多巴胺薄膜的平均吸收率仅为74.3%，这导致了两侧显著的光热温差。在氙灯照射下，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°C。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。在纤维纳米通道中，水流带动离子迁移，在带电通道壁面形成双电层，从而产生流动电势。数值模拟结果直观显示，CF@PPy@PDA（紫色）表面形成了显著的温度与湿度梯度，这是传统对称结构所不具备的。

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

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

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

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。如图5所示，适当提高环境温度或湿度（在60%以下）有助于提升输出电压。用低pH盐酸溶液或含高价阳离子（如Fe³⁺）的盐溶液处理材料，可通过增强质子化梯度或离子迁移效率，进一步提升电压输出。密度泛函理论计算表明，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，增加表面电荷密度。此外，该装置对光照开关表现出快速、可逆的电压响应，经过数十次循环及长达一个月的环境暴露后，其敏感性与稳定性依然保持良好。

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

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

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

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