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【研究背景】
环境问题和能源危机带来的威胁日益严重，导致人们对可持续能源技术的开发兴趣日益浓厚。从水中获取电力因其可持续性、效率和普遍性而受到极大关注。纳米技术和先进材料的最新进展促进了新兴水能收集技术的发展。湿致发电MEG是一种新兴的绿色电力收集技术，可利用无处不在的湿气产生大量电力，在电源传感器和监控器方面显示出巨大的前景。MEG技术在满足不断增长的能源需求方面也显示出巨大的潜力。MEG产生的电力来自水分子和活性材料的可极化材料之间的相互作用。然而，目前用于制造MEG装置的大多数活性材料不仅昂贵而且复杂，这严重限制了其广泛的开发和应用。
因此，迫切需要开发成本低廉的MEG活性材料。木材是地球上分布最广泛的可再生生物质资源。“由于木材具有排列整齐的纤维素纳米纤维、丰富的多孔结构和带负电的表面，木材已被广泛应用于结构材料、隔热材料、水处理、离子纳米流体、超级电容器、传感器等等。此外，由于木材的多孔分层结构和丰富的极性官能团，已被证明是适合于蒸发辅助发电机的水力发电材料（羟基、羧基和酚）。
目前该文于2024年6月日以“Wood Hydrogel for Efficient Moisture-Electric Generation”为题在ACS Applied Polymer Material（SCI化学2区，IF=4.4）上发表。通讯作者是来自浙江科技大学环境与自然资源学院的张金超。该工作得到广东省科技发展计划重点项目（2022B0202020002）和国家外国专家项目（G2023163008L）的资助。
【图文速览】
图1 木材水凝胶制造工艺和基于木材水凝胶的湿电发生器的示意图
图2 不同脱木素时间（a）原木、（B）2 h、（c）4 h、（d）6 h、（e）8 h和（f）10 h的木质素水凝胶的横截面SEM图像。(g)木质纤维素与PVA/PAA高分子链之间的氢键作用示意图
图3 (a)不同脱木素时间木材水凝胶的拉伸应力-应变曲线。(b)不同脱木素时间木材水凝胶的拉伸强度。(c)不同脱木素时间木材的抗拉强度。(d)不同脱木素时间木材水凝胶的压缩应力-应变曲线。(e)不同脱木素时间木材水凝胶的抗压强度。(f)不同相对湿度下木材水凝胶-R的拉伸强度。
图4 (a)在L方向上不同脱木质素时间的木材水凝胶的线性I-V曲线。(b)在R方向上不同脱木质素时间的木材水凝胶的线性I-V曲线。(c)不同脱木素时间（0.01M KCl）的木材水凝胶在R和L方向上的离子电导率。(d)木材水凝胶中L和R方向的离子迁移示意
图5 (a)不同脱木素时间下木材水凝胶（L方向）的WHMEG输出电压曲线。(b)不同脱木素时间的木质素水凝胶（L向）的WHMEG开路电压。(c)不同脱木素时间下木质素水凝胶WHMEG的短路电流（L方向）。(d)比较了不同脱木素时间的基于木材水凝胶的WHMEG（R和L方向）的开路电压。
图6 WHMEG在实验室环境（约25 °C和65 ± 5% RH）中的实际输出容量。(a)串联WHMEG（DL为8 hWH）的开路电压和短路电流。(b)并联WHMEGs（DL为8h WH）的开路电压和短路电流。(c)四个串联WHMEG装置的开路电压曲线。(d)WHMEG在实验室周围环境中的长期输出性能。
图7 (a)研究了水在脱木素木材（DL处理8h）、纯水凝胶和木材水凝胶（DL处理8h）表面接触角的动态变化。(b)木材水凝胶内部离子扩散迁移驱动发电示意图。
图8 (a)WHMEG响应RH增加的电压-时间曲线。测试前，将WHMEG装置真空干燥2天。(b)WHMEG随RH周期变化的电压输出曲线。(c)WHMEG的电流输出曲线随RH的周期性变化。(d)木材水凝胶在不同湿度下的吸湿性能。在测试之前，将WHMEG装置真空干燥2天。
【文章结论】
总之，我们已经开发了一种基于木材水凝胶的湿气发电机，通过将脱木质素木材支架和PVA/PAA水凝胶网络相结合，用于直接从大气湿气中收集电力。通过脱木质素作用暴露更多的纤维素有助于填充和交联木质支架内的水凝胶网络。结合木材支架和聚合物水凝胶赋予木材水凝胶复合材料2.88 MPa的高抗压强度和显着改善的离子电导率为5.39 × 10−4 S/cm。利用非对称吸湿和梯度离子扩散的协同作用，单个尺寸为1 cm2的WHMEG器件在环境温度为25 °C，相对湿度为65 ± 5%RH的条件下，是可以产生约530 mV的开路电压和约1.85 mA的短路电流。此外，通过串联或并联连接设备，可以很容易地扩大发电规模。这项工作为开发可扩展的、绿色的、具有成本效益的水分诱导发电系统，这是解决全球能源危机的重要一步提供了见解。
【文章信息】
https://doi.org/10.1021/acsapm.4c00959
文献供稿 | 姚 雨
责任编辑 | 高嘉璐
