随着全球对可再生和可持续能源需求的增加，替代能源转换技术的研究也日益深入。由于对气候变化、化石燃料资源逐渐枯竭以及环境污染加剧的担忧，寻找清洁高效的能源来源已成为重要的科学和工程目标[[1], [2], [3]]。太阳能、风能和水力发电已成为主要的可再生能源，但它们各自存在局限性[4]。太阳能和风能具有间歇性，需要大规模的储能解决方案；而传统的水力发电则依赖于大坝和水库等基础设施，这可能导致生态破坏和高昂的经济成本[5]。为了克服这些限制，研究人员转向了新兴的能源收集方法，其中水力伏特发电机（HEG）作为一种将自然水能转化为电能的新方法受到了越来越多的关注[[6], [7], [8]]。与传统的水力发电不同，HEG利用毛细驱动的水传输[9]、电荷分离[10]以及水和功能材料界面之间的电动力学效应[11]来产生电能。这些特性使得HEG成为一种有前景的可持续和分散式能源生成方式，能够在无需大规模基础设施的情况下在多种环境中运行。尽管近年来水力伏特发电技术取得了显著进展，新兴研究正在推动该领域向非氧化还原充电路径（如气固接触电化和水辅助表面离子化[12,13]）发展，但流动电位仍然是大多数报道的水力伏特系统中的主导机制。这些非法拉第概念展示了通过界面静电相互作用实现持续电荷生成的可能性，然而其实际应用仍然有限，流动诱导的电动力学效应仍然是当前大多数设备设计的基础。
HEG性能的关键决定因素包括材料选择、离子传输性质[11]、表面电荷密度[14]、亲水性[15]和孔隙率[16]，这些因素直接影响能量转换效率。为了提高HEG的效率，人们探索了多种功能材料，包括基于碳的纳米材料（如氧化石墨烯、碳纳米管）[17,18]、金属氧化物（如MoS?、TiO?、SiO?）[[19], [20], [21]]以及生物基材料（如纤维素、木材、蛋白质、碳化聚合物点）[10,[22], [23], [24]]。其中，木材因其天然形成的微通道、层次化的多孔结构和可再生性而受到越来越多的关注，使其成为一种环保且可扩展的能源收集材料[25]。木材独特的各向异性结构促进了高效的水传输和离子扩散，这是实现持续电荷生成的关键因素。然而，天然木材本身存在一些限制，影响了其在HEG应用中的效果，因此需要对材料进行改性以增强其电荷分离和能量转换性能[[26], [27], [28]]。
通过各种化学和结构改性，人们在提高基于木材的HEG材料方面取得了显著进展，这些改性旨在增强其离子传输能力和电荷分离效率。一种广泛采用的策略是通过木材羧基化进行化学功能化，即在木材纤维的表面和内部引入羧基（-COOH）[10]。这一羧基化过程显著提高了木材的表面电荷密度和离子导电性，从而增强了材料与水分子之间的静电相互作用。因此，羧基化的木材能够更有效地生成电荷并传输离子，这对HEG系统的性能至关重要。此外，还采用了诸如溶解和再生木材细胞壁等结构改性方法，包括部分去除木质素和半纤维素，以补充化学羧基化[29]。这些结构处理促进了木材细胞网络中纳米多孔结构的形成，显著改善了水传输和电动力学过程的路径。化学羧基化和结构改性共同有效地解决了表面电荷限制和内部孔隙率问题，显著提高了基于木材的HEG的能量收集效率。除了这些方法外，研究人员还探索了混合材料和复合结构以进一步优化HEG性能。例如，将导电碳材料掺入基于木材的系统中可以提高电子传输效率[30]。此外，基于木材的气凝胶和功能化生物复合材料的开发在保持材料柔韧性和可扩展性的同时，显示出改善离子迁移性的潜力[31,32]。例如，Shin等人开发了一种化学交联的纤维素纳米纤维/碳纳米管气凝胶与离子有机水凝胶的集成体，在潮湿条件下保持了多孔结构，实现了长期稳定的高电压输出[33]。尽管基于木材的HEG材料取得了显著进展，但木材相对较大的孔径限制了通道内有效双电层（EDL）的重叠[29]。因此，目前大多数基于木材的水力伏特设备的能量转换效率仍然较低[[34], [35], [36]]。
在这里，我们提出了一种通过静电排斥作用破坏木材细胞壁内纤维素微纤束的策略。具体来说，通过TEMPO介导的氧化反应，选择性地将木材细胞壁内纤维素链上的C6羟基氧化为羧基。这显著提高了纤维素的表面电荷密度[37]。带负电的纤维素羧酸盐产生了强烈的静电排斥[38]，破坏了微纤束之间的原始氢键网络，使微纤束分离并重新组装成高度纳米化的网络结构。这种转变极大地提高了木材的比表面积和离子渗透性。在蒸发驱动的水力伏特发电应用中，这种处理的木材实现了303.6 mV的开路电压和0.34 μW cm?2的最大功率密度，这是纯基于木材的HEG材料中最高的输出电压性能。通过扩展木材作为功能性能源收集材料的潜力，这项研究为未来HEG系统的优化和应用奠定了基础，使其成为分散式和可再生能源发电的可行选择。
