传统的水力发电技术是将水能通过机械能间接转化为电能，近年来新兴的水伏发电技术可以从无处不在的水蒸发过程中直接获取电能。利用可再生多孔气凝胶开发水伏发电机可以促进其可持续性和发电性能，为绿色能源开辟广阔的前景。然而，气凝胶的传统制备方法（如冷冻干燥和超临界干燥）具有成本高、耗时、依赖特定设备等缺点，而且得到的气凝胶往往具有较差的湿强度。在环境压力条件下制备气凝胶，需要表面/结构工程来强化气凝胶结构，提高湿态稳定性的同时确保材料的完整性，以承受溶剂（水）蒸发产生的毛细力，从而克服干燥和工作过程中的结构坍塌问题。
日前，北京林业大学许凤教授、陈胜副教授团队提出了一种基于环境压力干燥的纳米纤维素/碳纳米管复合气凝胶制备新技术，并构建了高效水伏发电机。通过原料改性及结构设计，不仅能够在环境压力干燥和水伏发电过程中稳定复合气凝胶的多孔网络结构，还能通过增强气凝胶与水分子的相互作用来提高水伏发电性能。制备的复合气凝胶可在水中长期工作，输出电压和功率密度分别高达697 mV和0.57 μW cm-2，并且在盐水中显示出更高的输出电压（850 mV）和功率密度（3.82 μW cm-2）。此外，大规模集成的气凝胶发电单元可以提供定制的电力输出，为各种电子设备供电，并通过人机交互有效地检测水泄漏。这项研究为纳米纤维素复合多孔材料应用于水伏发电提供了一种可靠、高效的策略，并为自供电水传感的发展提供了有力帮助。相关工作以题为“Ambient-Dried Nanocellulose Composite Aerogels for Enhanced Hydrovoltaic Electricity Generation”发表在《Advanced Functional Materials》上。
图1 AHG的制备及原理图
利用TEMPO氧化纳米纤维素（TOCNFs）与羧基化碳纳米管（CCNTs）上丰富的羧基与金属离子（Fe3+）的静电络合作用，在环境压力下构筑具有多孔、高亲水性和优异机械稳定性的纳米纤维素复合气凝胶（ADAs）。相比于冷冻干燥气凝胶水伏发电机（FHG），环境压力干燥气凝胶水伏发电机（AHG）展现出更加优异的工作性能（包括电能输出、可回收性、孔隙率、湿稳定性、成本和能耗），为可持续能量收集提供了一种有前景的方法。
图2：环境压力干燥气凝胶（ADA）的表征
研究团队所开发的这种新型纳米纤维素复合气凝胶，其内部的Fe3+离子与TOCNF/CCNT上的羧基形成配位键，即使在环境压力干燥后也能获得稳定交联的多孔结构。所制备的气凝胶具有独特的结构、丰富的孔隙、高机械强度、超亲水性和出色的湿稳定性，且具有更优异的湿强度，更强的水分子相互作用以及丰富的离子传输通道。这项技术不仅改善了现有气凝胶制备技术所存在的缺点，同时为推动复合气凝胶应用于水伏发电起到关键作用。
图3：AHG的发电性能
图4：AHG在盐溶液中的发电性能
水伏发电机（AHG）可在水中产生约697 mV的稳定电压，高效工作10 h以上，并进行6次以上的循环工作。在NaCl等多种类盐溶液中的性能显著提高，并展现出盐度敏感性和快速响应性，表现出业界领先的水伏发电性能。通过环境干燥法制备的气凝胶基水伏发电机是一种兼具成本效益和环境可持续性的解决方案，可满足日益增长的能源需求。
图5：AHG的集成与应用
AHG的高效水伏发电能力使其具有显著的供能和传感双重应用潜力。AHG可以大规模集成为阵列发电单元，扩大电力输出并根据实际用电需求随意组装，为计算器、LED灯和手机等电子器件供电。同时AHG作为传感元件，连接警示灯和蜂鸣器，与人机交互元件结合组装成AHG传感系统，实现了房屋及轮船漏水等情况下的水泄露报警，并在手机和电脑上实时监测水位变化，为未来的漏水检测系统提供了一种潜在的高灵敏度溢水监测装置。
北京林业大学材料科学与技术学院博士研究生曹梦遥为该论文第一作者，陈胜副教授和许凤教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（22378023、22108014、U22A20422）、中国天山创新团队计划项目（2023D14020）、北京林业大学5·5工程研究与创新团队项目（BLRC2023B01）等项目的支持。
来源：高分子科学前沿
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