基于落叶与吸湿性铁水凝胶的仿生能量收集与存储系统实现持续发电

为解决自供电系统能量输出低和环境友好性不足的问题，研究人员开发了基于落叶和不对称铁水凝胶涂层的叶片能量收集器(LEH)。该装置通过建立水分梯度形成电双层(EDL)，实现了49μA/cm2 的短路电流密度和497μW/cm3 的功率密度，其生命周期评估显示环境效益优于传统碳基能量收集器，为物联网设备提供了可持续能源解决方案。

　　

在物联网(IoTs)和大数据时代，开发可持续的自供电能源系统已成为迫切需求。尽管摩擦纳米发电机(TENGs)等运动能量收集技术取得进展，但其依赖外部机械运动的特性限制了应用场景。大气水分因其无处不在的特性成为理想的可再生能源，但现有湿度能量收集器存在功率密度低(<10μW/cm³
)、材料不可降解等问题。更关键的是，多数水基发电机仅在水分接触时产生瞬态功率，无法实现持续输出。这些瓶颈严重制约了湿度能量收集技术的实际应用。

新加坡国立大学材料科学与工程系Swee Ching Tan团队联合香港理工大学、东北林业大学等机构，创新性地利用落叶的天然结构优势，开发出具有持续发电能力的叶片能量收集器(LEH)。这项发表在《Nature Communications》的研究通过表面处理和不对称涂覆吸湿性铁水凝胶，将落叶转化为能量收集装置，其功率密度达到497μW/cm³
，并能通过动态水交换实现自我再生，为环境友好型能源开发提供了新思路。

研究团队采用密度泛函理论(DFT)模拟优化铁水凝胶结构，通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)验证配位相互作用。利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征材料形貌，通过动态蒸汽吸附分析仪测量水分吸收等温线。电化学工作站进行循环伏安法(CV)和阻抗谱(EIS)测试，结合开尔文探针力显微镜(KPFM)分析表面电位变化。选用不同树种落叶进行性能比较，并通过生命周期评估(LCA)量化环境效益。

铁水凝胶的吸湿特性与表征
通过FeCl₃
·6H₂
O与乙醇胺(EA)的配位反应制备的铁水凝胶，DFT模拟显示其氮/氧原子均能与铁配位。该材料在25°C、75%RH条件下180分钟内达到0.92g/g的吸水量，50次循环后性能无衰减。热重分析(TGA)表明其水分释放温度(70°C)低于传统盐类，有利于节能再生。流变学测试证实其凝胶态能有效锁住水分，避免泄漏。

LEH的制备与结构优势
落叶经漂白处理使接触角从105°降至60°，暴露出特有的细胞沟槽结构。碳黑(CB)均匀分布在叶片表面形成导电网络，不对称涂覆铁水凝胶后形成明显水分梯度。X射线CT显示叶片孔隙率>47%，而叶脉作为天然屏障阻止水分横向扩散。与滤纸、织物等基底相比，叶片的中等粗糙度(162μm)最利于CB分散，使电导率提高3倍。

持续发电机制与性能验证
水分触发铁水凝胶解离后，带负电的CB表面通过阳离子吸附形成EDL。操作CV显示EDL主导的电容行为，充放电时间比达1:30。在环境条件下，单个LEH产生0.5V电压和100μA电流，串联36个器件可获得13V输出。自再生实验表明，放电40小时后仅需40分钟即可通过环境湿度恢复性能，质量变化分析证实这是动态水交换所致。

环境效益与应用展示
生命周期评估显示LEH在除生态毒性外的所有指标上比碳基收集器降低1个数量级影响。成本分析表明每公斤LEH仅需4.88美元，通过集成可驱动LED、计算器等电子设备。机械测试证实经300次弯曲后性能无衰减，0.4g器件可承受100g重量，满足可穿戴设备要求。

这项研究开创性地将落叶转化为高性能能量收集器，解决了湿度发电领域功率密度低和持续性差的核心难题。其创新点在于：(1)利用叶片天然结构实现CB均匀分布和水分梯度维持；(2)通过铁水凝胶网络结构实现快速吸湿和水分锁定；(3)发现EDL介导的能量存储与自再生机制。虽然存在制备步骤较多、单片面积有限等局限，但提出的自动化生产线方案为规模化应用指明方向。该技术不仅为物联网设备提供了环境友好电源，更开辟了生物质资源高值化利用的新途径，对推动可持续能源发展具有重要意义。