本文基于生物相容的海藻酸钠设计开发了一种湿度能量发电系统。随着空气湿度从50% RH升至90% RH，单根发电纤维的输出电压从0.08 V增至0.2 V。在长时间发电过程中，电压保持稳定且无衰减，并且可以通过串联或并联进一步增加输出功率。此外，该纤维表现出很高的韧性和强度，具有抗损伤性。因此，这些特性使得SA-GO纤维能够集成到可穿戴设备中，从人类呼吸或环境中回收微能源以产生可持续的可穿戴和自供电电子设备的电力。这项工作为进一步利用环境中的湿度微能源开发高性能湿度发电器提供了新的途径。

　　研究背景及主要内容

　　随着可再生能源技术的发展，基于双电层电容效应的低品位能量的回收和利用因其环保特性而受到广泛关注。本文提出了一种利用生物质与碳材料制备的新型微能源回收发电纤维（SA-GO），该纤维不仅环保而且成本低廉。这些长度为5厘米、直径为0.15毫米的纤维可以产生约0.25伏的开路电压（Voc）和4微安的短路电流（ISC）。通过将SA-GO纤维串联或并联可以为一些低功耗电子设备供电。此外，这些纤维能够从大气或人体周围回收低品位能量。实验和理论分析均证实，由水分子推动的质子的定向流动构建微通道表面的双电层是SA-GO纤维发电的主要机制。本研究不仅提出了一种简单的能量转化方法，有望应用于日常生活，而且为微能源回收发电设备的设计提供了新的思路。

　　图1 纤维发电过程的示意图。

　　海藻酸钠-氧化石墨烯（SA-GO）纤维的制备

　　3 wt.%的藻酸钠溶液，15 mg/mL氧化石墨烯（GO）溶液和氧化纤维素纳米纤维（CNF）按5:1:2 的比例混合。随后，将5 mL 5 mg/mL石墨化羧基多壁碳纳米管（CNT）溶液加入混合物中。然后，将得到的溶液注入10 wt.%氯化钙（CaCl2）乙醇凝固浴中以形成纤维。然后，用无水乙醇和去离子水洗涤纤维，然后在空气中干燥。最后，将纤维浸泡在氯化锂（LiCl）溶液中数小时。干燥后，得到最终的纤维，在空气湿度下可发电。制备过程如图2所示。所制备的纤维具有优异的机械性能，可以满足不同场景的应用需求。

　　图2 柔性纤维材料的特性。

　　纤维的电压输出方面，SA-GO纤维产生的流动电势与空气湿度密切相关。通过使用湿度电压测试设备在不同的空气湿度（从50%相对湿度（RH）到90% RH）下精确测量了纤维的输出电压（图3）。

　　图3 柔性纤维的电学特性。

　　在实际应用中，通过串联或并联连接，可以增加SA-GO纤维的输出功率。将几根SA-GO纤维串联连接以点亮一盏LED灯作为无源的自供电设备（图4(a)）。如图4(b)所示，通过将两根相同尺寸的纤维串联连接，可以轻松实现超过0.2 V的输出功率。

　　图4 纤维改善功率输出的方法。

　　由于纤维在干燥状态下具有良好的韧性和强度，可以将多根纤维编织成不同形状以产生电力。通过实验证明，纤维不仅能承受0.5 N的拉伸强度，而且可以弯曲或扭曲30多次而不断裂。三根扭曲成一捆的纤维在50% RH时可以提供0.25 V的电压（图4(d)），是单根纤维的三倍。因此，由于其物理和化学特性，SA-GO纤维可以轻松集成到可穿戴设备中，从人体呼吸等气态环境中吸收湿气并产生电力输出。

　　来源：科学网