大连理工大学宾月珍课题组：吸湿发电纤维的多尺度结构调控与湿电性能关系研究
大连理工大学宾月珍课题组：吸湿发电纤维的多尺度结构调控与湿电性能关系研究
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大连理工大学 宾月珍教授 课题组 从纤维化学结构、聚集态结构、组装结构等多级结构构筑和调控的角度出发，通过湿法纺丝制备了一系列可连续化生产的具有皮芯结构的吸湿发电纤维，为吸湿发电领域的研究提供了有意义的见解 。具体内容体现在，基于离子梯度扩散机理，以海藻酸钠这一自然储量丰富的可再生资源为高分子基材，通过简单的物理共混调节复合体系的碳/氧相对比，设计独特的皮/芯式电极连接结构实现了同轴纤维径向水分浓度差的构建，保证了纤维具有优异的湿电性能和持续发电的能力，如 图1 所示。
图1. 吸湿发电纤维构筑思路及发电机理图
第一部分工作研究了纤维径向含氧官能团梯度、海藻酸钠结晶与取向、环境湿度等对湿电性能的影响，建立了聚集态结构、纤维组装结构与湿电性能的相关性。通过优化制备参数，在RH=90%情况下，其极值电压、电流、最大输出功率密度分别可达0.38 V、1.74 μA和9.5 μW/cm 2 。在自然环境（ T = 19~ 23 ℃，RH=31~42%）中，能够产生0.15 V持续时长超过36 h的稳定输出电压。该部分内容发表于 Chemical Engineering Journal , 2023, 473: 145325。第二部分工作，通过在海藻酸钠同轴纤维的皮层和芯层分别利用PEDOT:PSS和MWCNT构建导电网络，并配合活性电极材料进一步提升了吸湿发电纤维的发电性能。在RH=90%条件下，其极值电压和电流分别可达1.2 V和21 μA，在RH = 63%下，最大输出功率密度就能达到0.556 mW/cm 2 。在自然环境（RH=61 ~ 64%, T =21 ~ 23 °C）中，能够产生0.6 V持续时长超过13 h的稳定输出电压。该部分内容发表于 Journal Materials Chemistry A , 2023,11, 3616-3624。
图2. 吸湿发电纤维的应用演示
以上吸湿发电研究中开发的柔性吸湿发电纤维证明了皮芯结构纤维在吸湿发电研究中的优势，建立了聚集态结构和吸湿发电性能的构效关系，这对于推进吸湿发电材料的商业化应用具有非常重要的价值。吸湿发电纤维的研究工作主要由 张芮博士 和 曲美洁博士 完成，该课题组吸湿发电材料的其他成果发表于 Chemical Engineering Journal , 2022, 450, 138093、 Reactive and Functional Polymers 2022, 181, 105421。