DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108529

湿气发电机（MEGs）可实现清洁能源收集和转换，是一种有吸引力的可持续供电方式。然而，在开发高性能和实用的MEGs方面仍然存在一些挑战。在此，本研究开发了一种新型的磺酸-聚苯胺-双功能木质素（SAlignin），它可以掺入添加剂聚丙烯腈中，用于工程电纺纳米纤维膜（BioMem），以提高湿气发电能力。为了实现最大的电转换效率，构建了一种柔性三明治状MEG（fMEG），该MEG由碳化BioMem的外部双层电极和初纺BioMem的内部吸湿层组成。独特的结构和成分使fMEG具有最佳的离子扩散、流动趋势和表面电位，以促进湿气发电。重要的是，相场模拟表明，SAlignin和聚丙烯腈的互穿网络具有良好的吸湿能力和发电能力，从而增强了电力输出。研究发现，fMEG表现出与SAlignin剂量相关的功率转换效率的提高，并且可以产生0.28V的稳定电压和125nA/cm2的电流。此外，通过串联或并联组装多个fMEG单元，可以进一步提高电输出，这足以为电子设备供电。更令人兴奋的是，fMEG可以灵敏地探测潮湿的风，尤其是从人体呼吸中获取能量用于呼吸监测。特别是，fMEG具有实时监测不同人体运动的潜力，包括手指运动、声波和颈部脉冲。因此，该研究为推进MEGs及其相关应用提供了新的见解。

图1.一种柔性生物质衍生的湿气发电机（称为fMEG），其具有三明治式结构，用于促进湿气发电。（a）生物质衍生磺酸-聚苯胺-双功能化木质素（SAlignin）的合成。木质素作为一种丰富的可再生生物质资源，可应用于fMEG的构建。为了优化其性能，通过一种方便的两步合成方法制备了磺酸-聚苯胺-双功能木质素，该方法包括木质素的磺化和丙氨酸乙酯聚合成聚丙氨酸。（b）fMEG的设计和制备。将木质素与聚丙烯腈（PAN）共混，使用通用的纳米纤维膜制造方案制备混合电纺纳米纤维膜（BioMem）。此外，将BioMem进一步碳化以产生碳化BioMem（cBioMem）。同时，为了实现最大的电转换效率，构建了具有三明治状结构的fMEG，该三明治状结构由cBioMem外部双层电极和初纺BioMem内部吸湿层组成。fMEG因其独特的结构和成分特性，可以不断产生流动电位和持续的电力输出。（c）生物质衍生的湿气发电机（称为fMEG）的示意图。水力发电原理归因于湿气吸附过程中水合离子的扩散和离子浓度的差异。（d）fMEG在不同传感应用中的独特特性。fMEG因其灵活的设计和可调节的物理特性，在应变传感器中显示出巨大的应用可行性。

图2.多功能纳米纤维膜（称为BioMem）的制备和表征。（a）磺酸-聚苯胺-双功能化木质素（SAlignin）的合成。通过木质素的磺化和聚苯胺的聚合两步合成了SAlignin。（b）木质素及其衍生物的红外光谱。（c）木质素和木质素衍生物分子量的测量。通过GPC色谱来测量木质素基聚合物的相对分子量和分子量分布。（d）BioMem的制备和表征。制备了具有不同木质素和聚丙烯腈质量比（0/100、30/70和50/50）的BioMem，分别为BioMem-1、BioMem-2和BioMem-3。FTIR分析用于表征BioMem。（e）测量BioMem的ζ电位和电导率。（f）BioMem的热重分析（TGA）光谱。（g）BioMem的差示扫描量热法（DSC）光谱。

图3.纳米纤维BioMem和碳化BioMem（cBioMem）的制备和表征。（a-c）BioMem的表征。通过静电纺丝方法制备了一系列不同质量比（0/100、30/70和50/50）的BioMem，分别为BioMem-1、BioMem-2和BioMem-3。然后通过SEM对BioMem进行表征，如（a）BioMem-1、（b）BioMem-2和（c）BioMem-3所示。（d）纳米纤维的相场模拟和表征。通过可视化结构建模、无湿度电场分布、湿度分布和有湿度电场分布来计算纳米纤维的特性。（e-j）碳化BioMem（cBioMem）的表征。制备并表征了具有不同木质素和聚丙烯腈质量比（wt%）的cBioMem。（e）cBioMem-1、（f）cBioMem-2和（g）cBioMem-3的SEM图像。（h）cBioMem的XRD光谱。（i）cBioMem的拉曼光谱。（j）cBioMem的晶相结构。

图4.柔性三明治状MEG（fMEG）的制备和表征。fMEG具有三明治状结构，由碳化BioMem外部双层电极和初纺BioMem内部吸湿层组成。fMEG具有大的表面积、显著的吸湿能力、良好的离子传输潜力和增强的水分蒸发。当暴露在潮湿的空气中时，fMEG可有效吸收水分，形成水合纳米通道，促进离子的快速传输和水分蒸发，从而产生流动电位和持续的电力输出。（a）fMEG的湿气发电示意图。fMEG独特的结构使其能够在潮湿的空气中自发吸附水和离子离解，以促进质子的定向迁移。（b）在潮湿气流（RH=99%）下监测fMEG的输出电压。（c）fMEG在潮湿条件下（相对湿度=99%）的吸水能力。（d）fMEG在不同条件下的表面电阻测量。（e）fMEG的比表面积和孔体积线图。（f）fMEG-3暴露于不同湿度湿气下的电压输出。（g）fMEG-3暴露于不同湿度湿气下的吸水能力。（h）fMEG-3感应发电的可靠性评估。在多个ON/OFF循环期间连续记录fMEG-3响应于周期性湿气流的开路电压输出，（i）fMEG-3暴露于不同湿气（RH：99%）流速下的电压输出。（j）fMEG-3在不同呼吸强度下监测人体呼吸的能力。

图5.fMEG的多种性能特点。（a）串联fMEG的电压和电流输出。（b）基于fMEG的电源。串联fMEG作为电源设备，可点亮LED灯泡。（c）并联fMEG的电压和电流输出。（d-f）在使用1M Na2SO4作为电解质的双电极系统中测量fMEG的电化学性能。（d）在10至200mV/s的不同扫描速率下的CV曲线，（e）在1至10A/g的不同电流强度下的GCD曲线，以及（f）10000次循环后的循环稳定性。（g-i）使用基于fMEG的可穿戴压力传感器实时监测不同的人体运动。电容随手指运动而变化的照片：弯曲（g）、扭转（h）和按压（i）。（j）基于fMEG的可穿戴压力传感器检测湿度的可行性。（k）基于fMEG的传感器识别实时声音信号的能力，包括“嗡嗡”和“哈哈”。（l）基于fMEG的传感器实时监测人体颈部脉搏。插图为照片和放大信号。

图6.fMEG体内实时监测皮肤和内出血。（a）用于出血诊断和管理的小鼠伤口模型。（b）小鼠皮肤渗血引起的fMEG的输出电压。（c）fMEG改善皮肤伤口愈合的能力。（d）毛囊再生的定量分析。（e）fMEG治疗后再生皮肤组织中CD68表达的测定。比例尺：100μm。（f）fMEG监测肠道渗漏和胃出血的能力。肠漏（上图）和胃出血（下图）的手术成像。（g-h）fMEG检测肠漏和胃出血的能力。在不同的肠漏点和胃出血部位测量fMEG的输出电压。（i）治疗后皮肤、心脏、肝脏、脾脏、肺部和肾脏的H&E染色。