大连理工大学宾月珍课题组：吸湿发电纤维的多尺度结构调控与湿电性能关系研究

绿色可持续的发展理念迫切要求人们充分利用可再生资源来获取清洁稳定的能源，减少对环境的破坏。吸湿发电技术可以利用环境和人体周围普遍存在的低密度资源—水蒸气获得电能，是解决能源与环保问题的有效方法之一。在材料，特别是高分子材料的众多形态中，纤维具有较大的长径比，与薄膜和泡沫材料相比具有更大的比表面积，能够增强材料与水分子之间的相互作用。同时，纤维高柔性的特点允许其可以通过进一步加工获得2D、3D材料，在吸湿发电材料中表现出很大优势。尽管吸湿发电研究经历了近10年的发展，但受限于加工成本、电输出和瞬时输出特性的影响而难以广泛的商业化应用。因此，开发一种可连续化生产，且具有连续高输出特性的低成本吸湿发电纤维仍是一项巨大的挑战。

大连理工大学宾月珍教授课题组从纤维化学结构、聚集态结构、组装结构等多级结构构筑和调控的角度出发，通过湿法纺丝制备了一系列可连续化生产的具有皮芯结构的吸湿发电纤维，为吸湿发电领域的研究提供了有意义的见解。具体内容体现在，基于离子梯度扩散机理，以海藻酸钠这一自然储量丰富的可再生资源为高分子基材，通过简单的物理共混调节复合体系的碳/氧相对比，设计独特的皮/芯式电极连接结构实现了同轴纤维径向水分浓度差的构建，保证了纤维具有优异的湿电性能和持续发电的能力，如图1所示。

第一部分工作研究了纤维径向含氧官能团梯度、海藻酸钠结晶与取向、环境湿度等对湿电性能的影响，建立了聚集态结构、纤维组装结构与湿电性能的相关性。通过优化制备参数，在RH=90%情况下，其极值电压、电流、最大输出功率密度分别可达0.38 V、1.74 μA和9.5 μW/cm2。在自然环境（T = 19~ 23 ℃，RH=31~42%）中，能够产生0.15 V持续时长超过36 h的稳定输出电压。该部分内容发表于Chemical Engineering Journal, 2023, 473: 145325。第二部分工作，通过在海藻酸钠同轴纤维的皮层和芯层分别利用PEDOT:PSS和MWCNT构建导电网络，并配合活性电极材料进一步提升了吸湿发电纤维的发电性能。在RH=90%条件下，其极值电压和电流分别可达1.2 V和21 μA，在RH = 63%下，最大输出功率密度就能达到0.556 mW/cm2。在自然环境（RH=61 ~ 64%, T =21 ~ 23 °C）中，能够产生0.6 V持续时长超过13 h的稳定输出电压。该部分内容发表于Journal Materials Chemistry A, 2023,11, 3616-3624。

以上吸湿发电研究中开发的柔性吸湿发电纤维证明了皮芯结构纤维在吸湿发电研究中的优势，建立了聚集态结构和吸湿发电性能的构效关系，这对于推进吸湿发电材料的商业化应用具有非常重要的价值。吸湿发电纤维的研究工作主要由张芮博士和曲美洁博士完成，该课题组吸湿发电材料的其他成果发表于Chemical Engineering Journal, 2022, 450, 138093、Reactive and Functional Polymers 2022, 181, 105421。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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