自然界中无处不在的水存储了地球上35%的太阳辐射能量，在水循环中产生了巨大的能量转换。直接从水循环中进行能量的收集是一种理想的能量收集技术。近年来，水伏发电技术，尤其是水蒸发诱导发电(WEG )和水蒸汽驱动发电(MEG )技术，因其自发直流输出而受到广泛关注。织物可以作为水伏技术的理想载体，为柔性能量收集装置提供了一种理想的选择。
东华大学王宏志，Chengyi Hou和Ru Xiao团队开发了一种可持续的吸湿-蒸发循环织物( Mac-Fabric)。基于织物中的循环单向导湿和负电荷通道诱导的电荷分离，可实现可持续的恒压发电。在40%相对湿度(RH)和20°C下，单个Mac-fabric可以实现0.144 W/m^2 (5.76 × 10^2W/m^3)的高功率输出。通过组装500个串联和300个并联的Mac -fabric单元，在25% RH和20°C下，大规模的演示实现了350 V的串联电压和33.76 mA的并联电流。将数千个Mac-fabric单元缝制成帐篷，在户外环境中直接为手机等商用电子产品供电。Mac-fabric的轻质(300 g/m^2)和柔软的特性使其非常适合在真实环境中进行大面积集成和能量收集。
植物在光化作用时会产生0.11V的电压信号（图1A）。植物的蒸腾作用包括三个阶段:吸收水分(根)、输送水分(茎)和蒸发水分(叶)。水溶性矿物盐被植物的根部吸收，并通过蒸发输送到叶片。将电极植入富含电负性纤维素的植物茎中，发现活的植物在蒸发过程中也会产生电信号(图1B)。此外，植物茎中的离子浓度会被水中微小浓度的无机盐提高，导致电压信号快速增长(图1C)。植物的木质部由许多多孔的微通道组成。当水在微通道中流动时，富含纤维素的通道带负电荷，导致带正电荷的流动（图1D）。(E) Mac-fabirc蒸发循环结构由吸湿层[纤维素非织造布(CNW)/LiCI)、透射层[聚丙烯腈(PAN))和蒸发层(聚偏二氟乙烯[P(VDF-TrFE)])组成。(F)采用锥模型分析其多层mac -织物的拉普拉斯压力和单个纳米通道中水流诱导的电流。(G)进行为期1个月的开路电压测试，同时记录湿度和温度水平，结果表明所制备的结构具有非常好的发电性能以及稳定性。图1：Mac-fabric的仿生原理及电输出特性。对于水电发电而言，低功率发电和高稳定性依然面临巨大挑战。离子MEG技术需要从周围空气中吸收水分，这种方式的发电过程通常需要几个小时，长时间的稳定运行存在较大挑战（图2A）。活性金属电极的结构在发电过程中会因为电极钝化的问题导致数小时内发电功率急剧降低（图2B）。基于双电层原理和扩散层理论的WEG理论上具有长期发电的潜力，但是输出电流过小（图2C）。该团队研发的Mac-fabric提供了一种长期稳定的发电模式，通过持续不断的水蒸发循环提供稳定的高电流输出（图2D）。如图2E，通过连接大量器件，Mac-fabric显示出电流输出的线性增加，以及高的峰值电流（33.7 mA/600 cm^2）。Mac-fabric在垂直方向上的非对称结构设计使其具有单一的导湿性能。因为拉普拉斯压差，液体会发生自主扩散（图3A）。多层织物表现出疏水性增强，孔径减小的特点，保证了织物内部水分的定向输送（图3B，C）。Mac-fabric表现出由于商用口罩面料的透湿性（图3D）。通过测试Mac-fabric的吸湿蒸发性能，表明PAN/P(VDF-TrFE)层在促进Mac-fabric水分输送和蒸发中起着至关重要的作用（图3E-G）。图3：Mac-fabirc的制备及吸湿蒸发性能表征。
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水分的吸收-蒸发循环与Mac-fabric的电信号输出有关。完全密封的Mac-fabric和氮气或氧气中的Mac-fabric没有电信号输出(图4A)，表明发电依赖于空气中存在的水。此外，吸湿面密封的Mac-fabric(图4B)几乎不会产生电压和电流，因为水分很难从蒸发层进入器件。然而，当mac -织物的蒸发面被密封时(图4C)，Mac-fabric的输出电流会随着时间逐渐降低，说明稳定的电流输出与水分蒸发过程中的定向流动有关。吸水与蒸发之间的平衡对水电发电至关重要，Mac-fabric表现出循环充放电的特性（图4D，E）。通过光照提升水循环速度能够有效提高Mac-fabric的电输出性能（图4F,G）。图4：Mac-fabric的能量产生机制。
Mac-fabric的电输出优化主要通过增加吸湿率和蒸发周期为主，而这些因素与织物中的LiCl含量、输送层和蒸发的厚度有关。还可以通过选择活性电极材料来提高持续的高电信号输出。此外，环境温湿度对于织物发电性能也会有影响。为了保证器件长期稳定的高电流输出，选择合适的吸湿蒸发结构以及连续的离子供应至关重要。 通过成型的设备可以进行Mac-fabric的规模化生产，便于大规模批量化制造。通过增加Mac-fabric单元数能够有效提高输出电压，并且表现出非常好的线性输出特性。基于这种优异的放电特性，大规模集成的Mac-fabric能够为商用的电子产品，包括电子玩具、手机等进行直接供电。并且Mac-fabric在长期的户外测试中表现出稳定的输出稳定性。图5：Mac-fabric大规模制造以及作为便携式电池的应用。
作者受植物水分吸收-蒸发过程的启发，提出了一种可持续的吸收蒸发循环的织物发电新方法。通过几何优化，表现出超高且稳定的功率密度，单向透湿的非对称结构设计使得持续输出功率持续一个月以上。并且Mac-fabric能够在各种复杂环境中工作，并且表现出很好的输出稳定性。通过批量化生产和组装的Mac-fabric能够为各种商用电子产品进行供电，为绿色、可持续发电提供了新的选择。
【参考文献】
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk4620
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