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
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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。
原文信息
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A fibrous hydroelectric generator derived from eco-friendly sodium alginate for low-grade energy harvesting
Feng GONG1, Jiaming SONG1, Haotian CHEN1, Hao LI2, Runnan HUANG1, Yuhang JING1, Peng YANG1, Junjie FENG1, Rui XIAO1
Author information
1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of the Ministry of Education, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China
2. Department of Mechanical Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong, China
Keywords
fibrous hydroelectric generator, sodium alginate (SA), graphene oxide (GO), power generation
Cite this article
Feng GONG, Jiaming SONG, Haotian CHEN, Hao LI, Runnan HUANG, Yuhang JING, Peng YANG, Junjie FENG, Rui XIAO. A fibrous hydroelectric generator derived from eco-friendly sodium alginate for low-grade energy harvesting. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0930-z
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作者简介
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巩峰，东南大学能源与环境学院副书记兼副院长、博士生导师，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室副主任。主要从事生物质基储能碳材料的应用基础研究，在Nature Communications、Advanced Materials等著名学术期刊发表SCI论文96篇，11篇论文先后入选ESI高被引论文，2篇入选热点论文。SCI他引3016次，h因子33。先后主持国家自然科学基金项目2项、国家重点研发计划子课题项目2项、省部级项目3项、以及其他项目10余项。受邀担任SCI期刊Fuel Processing Technology (Q1, IF=8.1)和Science of the Total Environment (Q1, IF=10.8)的专刊编辑，以及期刊Sustainable Environment、Decarbon、《物理化学学报》和《能源环境保护》的青年编委。
肖睿，东南大学能源与环境学院院长，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室主任，东南大学首席教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，“万人计划”科技创新领军人才。江苏省能源研究会理事长，中国可再生能源学会生物质能专委会副理事长，《Fuel Processing Technology》副主编，《International Journal of Greenhouse Gas Control》、《太阳能学报》等10余种刊物编委。以第1完成人身份获得国家科技进步二等奖1项、教育部自然科学一等奖1项、江苏省科学技术一等奖2项、中国发明专利优秀奖1项，以主要完成人身份获其他省部级奖4项。在包括Science在内的国内外核心刊物上发表论文340余篇，其中SCI收录论文260余篇，论文被SCI他引近10000次，获授权国家发明专利40余项。
Frontiers in Energy （SCI），能源领域综合性英文学术期刊，于2007年创刊，现为中国工程院院刊能源分刊。名誉主编是翁史烈院士和倪维斗院士。中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍任主编，加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊、美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric、法国普瓦捷大学教授Nicolas Alonso-Vante和上海交通大学教授巨永林任副主编。
出版能源领域原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。选文注重“前沿性、创新性和交叉性”，涉及领域包括：能源转化与利用，可再生能源，储能技术，氢能与燃料电池，二氧化碳捕集、利用与封存，动力电池与电动汽车，先进核能技术，智能电网和微电网，新型能源系统，能源与环境，能源经济和政策。
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