文献快讯：Adv. Mater. 植物蒸腾启发的不对称结构棉织物实现高效光热蒸发发电

【成果掠影 & 研究背景】

随着柔性可穿戴电子设备的快速发展，从无处不在的水循环中收集电能已成为备受关注的研究方向。然而，开发具有高功率输出和稳定性的湿气驱动发电机仍然面临巨大挑战。传统湿气发电机依赖自发的水分子吸附与扩散，通常输出功率较低（毫伏级别），且在水分吸附饱和后难以持续发电。

受植物叶片蒸腾作用驱动水份单向流动的启发，湖北工程学院、武汉纺织大学等团队在《Advanced Materials》上报道了一种新型光热蒸发驱动的湿气发电机。研究团队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色薄膜，形成了不对称的光热温度梯度。这种设计巧妙地解决了因水分吸附饱和导致的发电不持续问题，同时缓解了过度水分蒸发造成湿度梯度不稳定的难题。在60%相对湿度和1个太阳光照条件下，紫色的CF@PPy@PDA器件实现了高达0.74 V的开路电压和0.72 mA的短路电流，并能驱动白色LED灯泡持续发光超过24小时。该发电机在白天（平均光照强度1000 W m⁻²，湿度43%）通过六个单元串联可获得1.18 V电压，在夜间（湿度52%）也能维持0.72 V的电压输出。集成的可穿戴系统能在自然条件下为蓝牙耳机、手电筒等电子设备提供充足电力，实现了真正意义上的全天候能量收集。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 仿生设计与机理创新：模仿植物叶片蒸腾作用，首次在织物上构建不对称结构色光热层。聚多巴胺结构色薄膜区域光热转换效率较低、保水性强，而黑色聚吡咯区域光热转换效率高、蒸发强烈，从而自发形成并维持了一个稳定的定向湿度梯度，为电荷迁移提供了持续驱动力。

• 性能突破与全天候工作：通过光热蒸发驱动，将湿气发电机的输出电压提升至0.74V（60% RH），远超传统自发蒸发器件。更重要的是，利用PDA与PPy区域亲水性的差异，器件在无光照的夜间也能依靠湿度梯度产生0.72V电压，实现了昼夜不间断的“全天候”发电。

• 材料与结构协同：利用聚多巴胺薄膜的结构色特性（通过聚合时间可调呈现蓝、紫、绿等颜色），主动调控不同区域的光吸收与光热转换效率。其中紫色薄膜区域光吸收率最低（74.3%），与PPy区域形成了8.3°C的最大光热温差，从而优化了湿度梯度和发电性能。

• 器件的柔性、稳定与可扩展性：基于棉织物的器件表现出优异的柔韧性、耐弯折和耐摩擦性能，经过100次弯曲或摩擦后输出性能保持稳定。该制备工艺简单，易于大面积制造和定制，可通过单元的串并联灵活提升输出电压或电流，例如六个并联可将电流增至3.9 mA，串联可得2.6 V电压。

• 系统集成与实际应用演示：成功将多个发电单元集成到可穿戴衣物中，构建了自供电系统。在实际户外场景中，该系统不仅能收集阳光和环境湿气，还能利用人体汗液蒸发，为蓝牙耳机充电、驱动数字钟表持续运行，并在夜间为LED手电筒供电，充分展示了其作为便携式柔性电源的实用潜力。

Figure 1: 光热蒸发驱动的湿气发电概念示意图。

Figure 2: CF@PPy@PDA的制备与结构表征。

Figure 3: CF@PPy@PDA的光热性能与湿度梯度形成原理。

Figure 4: CF@PPy@PDA的湿气发电性能。

Figure 5: 环境因素与化学处理对发电性能的影响及机理分析。

Figure 6: 集成器件户外性能及可穿戴应用演示。

【总结 & 原文链接】

总之，本研究成功开发了一种柔性、高效且稳定的光热蒸发驱动湿气发电机。通过在原位聚合聚吡咯的棉织物上构建不对称的聚多巴胺结构色薄膜，巧妙建立了持久的定向湿度梯度，从而显著提升了湿气发电的输出电压、电流及稳定性。该器件不仅实现了在光照条件下的高性能发电，更凭借材料本征的亲水性差异实现了夜间连续工作，攻克了传统湿气发电机无法持续供电的瓶颈。基于其优异的柔性、可扩展性和易于集成的特点，该工作为构建新一代全天候、自适应的可穿戴能源系统提供了创新思路和实用化平台，有望推动柔性电子设备在无源供能方向的发展。

原文链接: https://doi.org/10.1002/adma.202518736

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