安徽農業大學葉冬冬教授AM：仿生異質氣凝膠纖維實現柔性可穿戴與戶外能量收集

隨著物聯網和便攜式可穿戴電子設備的快速發展，傳統電池和超級電容器等電源方案在靈活性、輕量化和舒適性方面逐漸暴露出局限性，其壽命有限、機械剛性以及長期輸出的不穩定性成為制約下一代可穿戴系統發展的關鍵瓶頸。與此同時，自然界水循環蘊藏著巨大的可再生能源潛力，其年水力發電量估計超過全球能源消費數個數量級。基于水伏效應的能量收集技術應運而生，通過將水與固體材料之間的納米尺度相互作用轉化為電能，為綠色能源開發提供了新思路。然而，現有水伏器件多依賴于剛性脆性基底，嚴重限制了其在可穿戴系統中的應用。

針對這一挑戰，安徽農業大學葉冬冬教授、合肥工業大學王慧慶副教授合作團隊受玉米秸稈維管束高效水分運輸結構的啟發，提出了一種液體傳輸增強的仿生異質氣凝膠纖維（HAF）。該纖維采用微流體紡絲技術制備，具有獨特的核殼結構：內核采用加捻的表面電荷增強氧化棉紗線，實現快速軸向液體傳輸；外殼則由再生纖維素/炭黑氣凝膠構成，既能增強機械強度，又能提升水伏能量轉換效率。通過優化核心加捻程度，液體傳輸速率提高了1.87倍，單根5厘米長的纖維可穩定輸出0.55V的開路電壓超過160小時。研究團隊進一步通過矩陣式串并聯集成，將多個氣凝膠纖維單元織造成紡織品，能夠從穿戴者的汗水或戶外雨水中收集能量，為GPS設備、戶外帳篷照明和碳納米管基電熱毯提供電力。相關論文以“Liquid Transport-Enhanced Bioinspired Heterogeneous Aerogel Fibers for Flexible Wearable and Outdoor Energy Harvesting System”為題，發表在

Advanced Materials

在結構設計方面，研究團隊通過同軸濕法紡絲構建了具有仿生核殼結構的異質氣凝膠纖維。纖維內核采用TEMPO氧化棉紗線，外殼則由均勻分散炭黑納米顆粒的再生纖維素溶液形成。紡絲過程中，纖維素/炭黑復合溶液在同軸擠出時迅速潤濕并緊密包覆加捻棉芯，部分溶解的棉芯纖維素鏈與外殼材料形成優異的界面相容性。隨后纖維通過硫酸凝固浴，纖維素/炭黑外殼快速凝膠化，形成與加捻棉芯緊密集成的連續堅固包層。這種分級核殼結構在液體傳輸中發揮關鍵作用：當纖維一端接觸水時，加捻棉芯通過毛細作用和表面張力效應促進軸向液體快速遷移，在纖維素、炭黑顆粒表面和棉纖維之間建立雙電層，從而啟動水伏發電。對比實驗表明，雙加捻棉芯纖維的液體傳輸速度達到0.487 mm/s，顯著高于未加捻纖維的0.267 mm/s，相應的開路電壓也從0.23V提升至0.51V。

圖1 仿生異質氣凝膠纖維（HAF）的設計與制備 (a) 玉米莖稈維管束中定向水分傳輸的示意圖，為核殼纖維結構提供靈感。 (b) HAF制備的同軸微流體紡絲工藝流程，以及加捻芯材增強水分傳輸驅動的水伏發電機制。 (c) 制備的HAF樣品照片。 (d) 加捻與未加捻纖維芯的軸向水分傳輸速度對比。 (e) 包覆再生纖維素/炭黑（CB）殼層后增強的水伏輸出性能。

在結構優化方面，研究團隊深入探究了加捻工藝對纖維性能的影響機制。加捻過程使棉紗致密化，減小有效孔徑，從而增強毛細管吸力，加速液體遷移。紅外熱成像清晰顯示，加捻后纖維的軸向水傳輸能力顯著提升。Zeta電位測試表明，TEMPO氧化處理后棉紗的表面電位從-25.44 mV顯著提高至-41.72 mV，羧基的成功引入為離子相互作用提供了豐富的活性位點。掃描電鏡圖像清晰展示了單根棉紗和雙加捻紗束的螺旋排列形態。孔徑分布分析顯示，加捻后的纖維核心在20 nm左右形成優勢孔隙，而未加捻纖維幾乎沒有這一尺寸以下的孔隙，這種納米級孔徑變化對于雙電層的有效重疊至關重要。拉曼成像和X射線CT掃描進一步證實了纖維的層次化結構：TEMPO氧化棉紗內核、部分溶解棉與纖維素/炭黑復合中間層、以及富含炭黑的外殼，炭黑納米顆粒沿纖維表面均勻分布，確保了結構的穩定性和組成的均勻性。

圖2 HAF的結構與組成表征 (a) 加捻棉紗內部毛細管水力分析。 (b) 芯材加捻前后軸向水分傳輸的紅外熱成像對比。 (c) 棉紗在TEMPO氧化前后的Zeta電位對比。 (d) 單根棉紗和雙加捻紗束的SEM圖像。 (e) 加捻與未加捻棉芯的孔徑分布對比。 (f) HAF截面SEM圖像顯示核殼形貌(f?)，用于截面成分分析的二維拉曼成像示意圖及相應拉曼圖譜(f?)，以及代表性拉曼光譜(f?)。 (g) HAF的X射線計算機斷層掃描（CT）成像示意圖。

在發電機制與性能優化方面，研究團隊建立了水伏性能測試平臺。纖維一端浸入電解質中，通過棉紗內部的毛細作用和表面蒸發驅動連續軸向傳輸，在炭黑顆粒與棉紗的固液界面形成雙電層。加捻使內部通道尺寸減小至德拜長度附近或以下（估算德拜長度約為136 nm），增強了選擇性離子分離和空間電荷積累，沿纖維建立穩定的電勢差。環境控制實驗證實了蒸發的主導作用：相對濕度從30%升至90%時，輸出電壓從0.59V降至0.1V，并可逆切換。pH梯度實驗表明，8個pH單位變化僅產生約0.1V波動，遠低于能斯特方程預測的0.47V，證實質子梯度僅為次要因素。結構參數優化顯示，TEMPO氧化10小時可獲得最佳電輸出（平均開路電壓0.54V，短路電流7μA）；最佳加捻密度為3.6捻/cm；纖維長度為5cm時性能最優。溫度從10℃升至40℃時，電壓從0.2V增至0.65V；而相對濕度從22%升至76%時，電壓從0.6V降至0.28V。在環境條件（25±2℃，45±5% RH）下，HAF可穩定輸出0.55V超過160小時，功率密度達到4.5μW/cm2。

圖3 HAF的發電機制與性能 (a) HAF內部水伏發電過程的示意圖。 (b) 纖維干濕區域之間建立的電勢差示意圖。 (c) 干濕區域選擇性離子傳輸和電流產生的示意圖。 (d) 棉紗TEMPO氧化時間對水伏性能的影響。 (e) 三種不同HAF構型的電輸出對比。 (f-i) 纖維長度(f)、電解質類型(g)、環境溫度(h)和相對濕度(i)對HAF電性能的影響。

在應用集成方面，研究團隊設計了基于矩陣式集成的系統模型。串并聯測試表明，100根HAF串聯可產生36.1V輸出電壓，50根并聯可提供282.4μA穩定電流，僅6根串聯即可驅動商用計算器。HAF能在600秒內充滿1000μF商用超級電容器，證實其持續供能能力。機械性能測試顯示，HAF拉伸強度達27-35MPa，伸長率6%-9%，彎曲柔性優異，完全滿足紡織成型和可穿戴集成需求。1000秒循環彎曲測試中電阻波動在30%以內，3000秒彎曲過程中電壓波動僅±0.04V。研究團隊將纖維縫入導濕排汗織物，成功構建了具有發電能力的纖維-織物復合系統：運動時人體汗液驅動纖維發電，電能儲存在電容器中，可為GPS設備供電實現位置追蹤。經過20次洗滌循環，纖維微觀結構保持完整，電壓保持率達84%。進一步將663根HAF以串并聯方式縫制在織物上，構建大規模供電單元集成于防水戶外帳篷，經儲能后成功點亮戶外照明燈；該單元還可驅動電容器耦合碳纖維發熱元件，紅外熱成像顯示溫度從17.3℃升至25.8℃，為低溫環境提供局部加熱。

圖4 HAF的應用演示 (a) 1-100根HAF串聯時的輸出電壓。 (b) 1-50根并聯時的輸出電流。 (c) 十根HAF串聯時不同容量商用電容器的電壓變化。 (d) 集成HAF的柔性可穿戴設備示意圖(d?)及其在服裝中為GPS模塊供電的應用(d?)。 (e) HAF經過20次洗滌循環后電輸出性能的變化。 (f) 基于HAF的集成化供電單元示意圖。 (g) 集成單元與帳篷結合用于戶外照明應用。 (h) 集成單元與加熱織物結合的帳篷供電系統。 (i) 碳纖維加熱片在集成單元工作前(i?)后(i?)的紅外熱成像對比。

總結：本研究提出了一種液體傳輸增強的仿生異質氣凝膠纖維設計策略，通過同軸微流體紡絲成功制備了加捻TEMPO氧化棉芯與再生纖維素/炭黑氣凝膠殼層的分級核殼結構。這種結構協同加速軸向液體遷移，提升水伏轉換效率。導電炭黑網絡不僅增強了機械強度（高達35MPa）和彎曲柔性，還確保了長期穩定的電荷傳輸。系統研究表明，電輸出可通過結構參數和環境條件精確調控，在溫度、濕度和風速變化下表現出良好的適應性。可擴展的矩陣式串并聯組裝展示了從汗水或雨水中收集能量的能力，可直接為低功耗電子產品供電、充電超級電容器和驅動紡織集成電源單元。GPS追蹤、戶外帳篷照明和可穿戴電熱加熱等實際應用驗證了HAF平臺在可穿戴和戶外場景的多功能性。該工作為柔性、輕量化、可持續的穿戴式自供能系統的發展提供了可擴展的材料平臺，未來研究將進一步探索水伏雙電層機制與加捻扭轉能量收集的協同集成，拓展器件應用范圍。