基于天然木棉纤维的高功率密度可持续便携式蒸发驱动水力发电机用于可穿戴设备

本研究针对传统水力发电机需大面积结构和高耗水量、难以便携应用的问题，开发了一种基于原始木棉纤维的蒸发驱动水力发电机（RCG）。通过优化纤维排列和表面处理，实现了4.5?μW/cm2的高功率密度输出，并证实其由界面接触起电和水蒸发诱导电荷迁移驱动。该器件具有良好的机械鲁棒性和低水耗特性，为可穿戴设备提供了绿色、可持续的电源解决方案。

　　

随着可穿戴电子设备的快速发展，开发可持续、便携的能源解决方案成为研究热点。传统水力发电机依赖大面积结构维持蒸发过程，存在高水耗、大空间需求等局限性，难以满足可穿戴应用的要求。天然植物材料如木材虽具有定向通道，但需脱木质素处理，会导致孔道结构紊乱、输出功率低（仅nW/cm²级），且大规模使用可能引发 deforestation（森林砍伐）问题。因此，寻找更高效、便携、环保的生物质材料至关重要。

在这项发表于《Sustainable Materials and Technologies》的研究中，Dawei Zhang等人利用天然木棉纤维（kapok）独特的微观结构，开发了一种原始木棉细胞发电机（Raw-Kapok Cell Generator, RCG），无需脱木质素处理即可通过水蒸发实现连续发电。木棉纤维具有亲水性内壁和疏水性外壳的单根纤维可作为独立发电单元，通过平行组装和结构优化，实现了高达4.5?μW/cm²的功率密度，为可穿戴设备提供了绿色、可靠的电源解决方案。

研究采用以下关键技术方法：

1. 1.

   材料制备：从阿里巴巴采购四川攀枝花木棉纤维，经人工分选和气流分离去除杂质和短纤维，使用迷你梳子和聚乙烯管增强纤维排列和压缩形成纤维柱。

2. 2.

   器件构建：将纤维柱分段后浸入去离子水水合，60°C烘干，两端附着铜泡沫电极形成RCG单元。

3. 3.

   表面处理：采用5-20?wt%氢氧化钠（NaOH）溶液进行局部或整体处理，改变纤维表面润湿性和结构。

4. 4.

   性能表征：通过扫描电子显微镜（SEM）观察纤维形貌，接触角测量仪分析润湿性，电化学工作站测试输出电压（V_oc）、电流（I_sc）和功率，显微镜观察水运输过程。

研究结果如下：

3.1. RCG的制备与电输出性能

通过SEM分析发现，原始木棉纤维呈无序排列，表面接触角（CA）约150°，呈超疏水性。经排列和水合处理后，纤维内腔打开，接触角降至85°，亲水性显著增强。铜泡沫电极的微观突起确保与纤维端部有效接触。标准RCG单元（直径和高度均为6?mm）在持续测试中可产生0.15?V电压和2?μA电流，输出稳定。

3.2. 蒸发驱动发电的验证

通过极性切换、全浸没等对照实验证实，RCG的输出源于蒸发诱导的纳米发电机效应，而非电极化学反应。风吹实验（7?m/s风速）使电压从0.15?V升至0.18?V，而表面用硅油密封后输出骤降至近0?V，证明蒸发是发电的关键驱动力。

3.3. 影响RCG电输出的因素

柱高度、直径、纤维密度、排列方式、环境湿度和表面处理均影响输出性能。柱高度增加提升电压但过高会降低电流，6?mm为最优高度。直径和密度增加主要提升电流，表明纤维作为并联发电单元工作。对齐排列输出最高，随机排列最低。低湿度（10% RH）下性能最佳（V_oc=275?mV, I_sc=3.2?μA），高湿度（90% RH）下输出受抑制。NaOH仅处理顶部表面时，形成wick-like（灯芯状）纳米结构，加速蒸发和电荷收集，使V_oc达0.2?V，I_sc达25?μA，功率密度4.5?μW/cm²，优于以往木质材料发电机。

3.4. RCG装置的发电机制

发电机制涉及水-纤维界面的接触起电（contact electrification）：电子从纤维素向水分子转移，使纤维素带正电，水带负电。蒸发使电子向顶部电极迁移，形成连续电流。水运输主要通过纤维内壁的纳米通道进行毛细作用驱动，而非连续水柱。纤维接头（弯曲、折叠、扭曲）通过互联水层促进运输。每个纤维细胞独立工作，无相互干扰。

3.4.1. 运输

显微镜观察显示，水通过纤维内腔和接头快速运输，形成凹液面证实内表面亲水性。运输由薄水层主导，而非整体水柱，确保低水耗。纤维壁的 slit-shaped pores（狭缝状孔隙）结构（分外层S、壁层W1-W3和内表面IS）促进定向水流动。

3.4.2. 蒸发

NaOH处理去除蜡质和木质素，暴露亲水性纤维素微纤维，使纤维端部坍塌形成簇状wick-like结构，增大蒸发面积，提升输出。处理时间过长会导致纤维粘附，破坏独立性，降低性能。水耗测试表明，100?μL水可维持11小时稳定输出。机械损伤实验（楔形裂纹、水平裂纹等）显示电压稳定，电流变化取决于损伤类型，证明纤维独立架构的可靠性。

3.5. 应用

12个RCG单元串联后实现2.5?V电压和16?μA电流，最大功率10?μW（负载100?kΩ）。成功驱动热发射调制器（thermal emission modulator）实现热 camouflage（ camouflage），并为电子手表和计算器供电，展示其在可穿戴设备中的实用性。

研究结论表明，RCG利用木棉纤维的独特结构和蒸发驱动机制，实现了高效、可持续的发电，输出性能稳定且抗损伤能力强。通过串联可提升电压，满足实际应用需求。该工作突出了生物质水力发电机的可扩展性、环保性和实用性，为自供电传感、智能纺织品和可持续能源网络提供了新方向。未来研究将聚焦于效率提升、功能材料集成和混合能源系统开发。