武汉纺织大学徐卫林&苏州大学方剑等综述：纤维基水伏系统的研究进展

日益枯竭的化石能源和传统的污染性发电对可持续发展构成了威胁。利用液态水和气态水之间无处不在的自发相变进行水伏发电，一直被认为是缓解能源危机的可行策略。纤维材料具有独特的柔韧性、可加工性、多功能性和实用性，已被广泛应用于纤维基水伏系统(FHG)。

图1. 全球能源需求和产出。a. 按地区划分的电力需求同比变化(2019-2025年)。b. 按来源划分的全球发电量变化(2022-2025年)。

II FHG的机理与制备

图2. 流动电势和离子电势的机理示意图。a 固水界面的EDL示意图和b纳米通道内的流动电势示意图。c水流梯度和d氧官能团梯度下的离子电势示意图

图3. 1D纤维、1D纱线、2D织物、2D纤维膜、3D纤维框架和3D纤维凝胶的制备方法。

III FHG的先进功能

图4. 用于水分收集的纤维材料。a1 设计概念和制造工艺示意图。a2 水合纳米通道中电荷相反的游离离子定向迁移所产生的 FHG 示意图。a3 FHG的运行图解. b1 树状纤维膜的示意图，b2 不同 TBAB 含量的纤维膜的水接触角。b3 不同TBAB含量的纤维膜的比表面积和平均孔径。

图5. 用于质子解离的纤维材料。a1 自支撑双电层发电器件示意图。a2 双电层发电机理示意图。a3 在800 °C下碳化时间与碳泡沫氧含量和电导率的变化。a4 实时开路电压。a5 水中碳泡沫引起的峰值电压。在不同浓度的FeCl3溶液中制备的木质发电机的 b1 电阻、b2 zeta 电位和 b3 FHG 输出。

图6. 用于离子分离的纤维材料。a1 用于 FHG 的非对称分层织物示意图。a2 向非对称织物滴水时的电压响应，电阻分别为200 kΩ(左)和50 kΩ(右)。a3 半湿和全湿时在不对称区域之间建立电位差的示意图。b1 分层多孔纳米纤维的四种功能示意图。b2 孔隙面积与孔宽的关系曲线。b3 不同 PAN-PMMA 比率的分层多孔纳米纤维中的中孔和微孔比例。b4 不同 PAN-PMMA 比率的器件的 FHG 输出。

图7. 用于电荷积累的纤维材料。a 柔性FHG设备的制造示意图。b 不同几何形态的柔性FHG设备示意图。c FHG的几何形态对电力输出的影响。

IV FHG的应用

图8. FHG的应用。a1 测量并联或串联的三个纸质发电机的输出功率。a2 电子计算器、a3 LED 灯泡和 a4 由阵列连接的发电机驱动的可穿戴手表的照片。b 由串联流体纳米发电机充电的商用电容器的电压-时间曲线。c1 将含有 CNT 纤维的设备编织到织物中。c2 FHG 设备的一系列潜在应用。d1 可穿戴自供电传感系统示意图。d2 不同速度跑步和 d3 有水和无水跑步期间 FHG 离子传感器的实时 Voc 变化。d4 跑步期间产生的可穿戴单个和两个串联 FHG 设备的实时 Voc 曲线。e1 可穿戴式汗液传感器的 FHG 结构和连接位置示意图。e2 在持续骑行过程中不同位置的实时 Voc 变化。f1 单元坐标示意图。f2 含有 136 个单元的装置连接到面罩上。f3 位于不同坐标的单元的峰值电压输出。电子标签的表达：深呼吸(ΔRH = 35%)后所有单元的电压输出。

V 总结

水是地球上最大的潜在能源。探索和开发水能可以大大缓解能源危机，具有重要的生态价值和社会意义。水伏发电具有独特的环境友好性和成本效益，已被广泛应用于从无处不在的水中转换能源。事实证明，开发基于广泛材料的水伏发电具有重要的环保和能源意义。纤维材料具有独特的柔韧性、可加工性、多功能性和实用性，在高效水伏发电中发挥着不同的作用。特别是，由于其舒适性、轻便性、透气性和柔软性，纤维基装置在制造可穿戴电子设备方面具有独特的前景。不同结构的纤维材料在集水、质子解离、离子分离和电荷积累过程中表现出先进的功能。要提高FHG的性能和实用性，对其每一步进行优化至关重要。对原子改性、分子加工、界面工程和结构定制等方面的深入研究有着强烈的需求。此外，根据实际应用场景关注环境条件也至关重要。

作者简介

方剑
本文通讯作者

苏州大学 特聘教授

▍主要研究领域
长期从事功能性纤维材料、柔性可穿戴智能纺织品、和高性能纺织品研究。

▍个人简介

苏州大学纺织与服装工程学院特聘教授，博士生导师。入选第十五批“海外高层次人才计划”青年项目，2020年入选江苏省 “双创人才”。现任中国纺织工业联合会纺织行业智能纺织服装柔性器件重点实验室主任，中国纺织工程学会青年工作委员会委员，中国工程院院刊《Engineering》青年通讯专家，《Advanced Fiber Materials》和《eScience》青年编委。迄今已在Energy & Environmental Science, Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials等国内外学术期刊发表文章140余篇。

▍Email：jian.fang@suda.edu.cn

徐卫林
本文通讯作者

武汉纺织大学 教授

▍主要研究领域
主要从事纺织材料的研究。

▍个人简介

中国工程院院士，纺织与高分子材料学家，武汉纺织大学校长。以第一作者或通讯作者发表SCI论文150余篇，已授权美国发明专利5项及中国发明专利58项。先后主持和参与国家重点研发计划、国家科技支撑计划、973国家高新技术基础研究、国家自然科学基金等科研项目30余项。先后获得国家技术发明二等奖、国家科技进步一等奖、湖北省技术发明一等奖。荣获中国纺织创新年度人物、美国纤维协会杰出成就奖、中国第十一届青年科技奖、湖北省科学技术突出贡献奖、何梁何利基金科学与技术创新奖、中国纺织学术大奖、桑麻学者、改革开放40年纺织行业突出贡献人物。

▍Email：weilin_xu0@163.com

孙哲
本文通讯作者

苏州大学 硕士生导师

▍主要研究领域
皮革/合成革用环境友好高分子涂层材料：水性/无溶剂聚氨酯、有机硅；智能皮革/合成革；纺织品功能整理。。

▍个人简介

江苏省卓越博士后人才计划项目获得者，2021年06月于四川大学轻工科学与工程学院获工学博士学位，同年加入苏州大学纺织与服装工程学院；目前已发表学术论文20余篇，SCI收录10余篇，授权发明专利7项；主持江苏省高校自然科学基金面上项目1项、省部级开放课题2项、企业横向项目2项以及校级、省部级教改项目各1项。担任SCI期刊Polymers(IF：5.0)特刊客座编辑、《印染》杂志青年编委。

▍Email：sunzhe@suda.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中科院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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