多孔纤维素气凝胶木材用于航空煤油中水分检测的蒸发驱动发电技术

为解决传统水蒸发发电(WEG)系统成本高、环境适应性差的问题，大连理工大学团队通过化学处理轻木(BW)开发出气凝胶木材基蒸发诱导发电机(AW-WWEG)。该器件具有96%超高孔隙率和0.05 g/cm3低密度，在65%湿度下产生160 mV稳定电压，并能实时监测航空煤油含水量，检测成本降低三倍。这项发表于《International Journal of Biological Macromolecules》的研究为燃料安全监测提供了环保自供电新方案。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，如何从自然界获取可持续能源成为关键科学命题。水覆盖地球71%表面积，其蒸发过程蕴含巨大能量转化潜力，水蒸发发电(Water electrovoltaic generation, WEG)技术因此备受关注。然而现有WEG器件面临三重困境：依赖贵金属电极推高成本、合成材料难以降解、环境波动影响稳定性。更棘手的是，航空燃料中微量水分会引发燃烧效率下降甚至安全事故，但传统检测方法需要复杂仪器且无法实时监测。这些挑战呼唤一种兼具环境友好性、成本效益和多功能集成的新材料体系。

大连理工大学研究团队独辟蹊径，将目光投向自然界最精巧的多孔材料——木材。通过化学处理美洲轻木(Balsa wood, BW)，团队成功制备出具有仿生气凝胶结构的木材基材料(Aerogel wood, AW)。这种材料保留了木材天然的定向输水通道，经去木质素和冷冻干燥后，孔隙率高达96%，密度仅0.05 g/cm³，比原始BW轻如鸿毛却更强韧。研究人员创新性地将其应用于水蒸发诱导发电机(Water evaporation-induced generator, WWEG)，开发出AW-WWEG系统，不仅实现能量转化，还意外发现其对航空煤油中水分含量的灵敏响应能力。

研究采用三步法制备功能材料：首先用Na₂SO₃/KOH混合溶液去除BW中木质素，获得脱木质素木材(Delignified wood, DW)；随后通过冷冻干燥构建三维多孔网络；最后通过铜网电极集成构建完整器件。团队系统比较了BW、DW和AW的微观结构差异，并通过控制环境湿度(65% RH)、风速等参数评估发电性能。为验证水分检测功能，配置了不同水含量的航空煤油混合液(折射率1.4430-1.4480 @20°C)进行测试。

制备与表征
扫描电镜显示AW呈现独特的蜂窝状各向异性结构，纤维素纳米纤维定向排列形成微/纳米级孔道，比表面积较BW提升3倍。X射线衍射证实处理过程未破坏纤维素晶体结构，FT-IR显示表面羟基增多，这些特性共同促进水分子吸附与离子迁移。

发电性能
在标准环境条件下，AW-WWEG产生160 mV稳定开路电压，功率密度达原始BW器件的3倍。机理研究表明，当水通过带负电的纳米通道时，固-液界面形成双电层(Electric double layer, EDL)，蒸发驱动的水流带动离子定向移动产生流动电势(Streaming potential)。

水分检测应用
将器件浸入含水航空煤油时，输出电压随水分含量增加呈线性升高。即使0.5%微量水也能引发显著信号变化，响应时间<30秒。这种自供电检测方式无需外部电源，且AW材料可重复使用50次以上性能不衰减。

结论与展望
该研究开创性地将生物质气凝胶材料应用于能源-传感一体化系统。AW-WWEG的三大突破在于：① 完全生物降解的器件架构，② 每平方厘米低于0.1美元的成本优势，③ 同时实现环境能量采集与燃料安全监测双重功能。这种"以自然之道解决自然之困"的策略，为发展下一代绿色能源技术提供了新范式。未来通过调控纤维素表面化学修饰，有望进一步提升其对多种有机溶剂中污染物的检测灵敏度。

研究获得国家重点研发计划(2021YFB4000901)、国家自然科学基金(52374186)及大连理工大学中央医院(2023ZXYG20)等项目支持，相关成果已申请发明专利。论文通讯作者Sheng Bi强调："这项技术的意义不仅在于发明新器件，更在于证明生物质材料在高端能源应用中可以比合成材料表现更出色。"该工作为碳中和目标下的能源-环境协同治理提供了富有启发性的解决方案。