湿气（气态水）广泛分布于周围的环境中，蕴含着可观的能量。近年来基于水与材料或电极的相互作用，将湿气（气态水）中的化学能转化为电能的技术引起了研究者的广泛关注，通常被称为“湿气发电”或者“湿气诱导发电”。然而，现存主要的湿气诱导发电器件通常基于膜的三明治结构或块状结构，往往不易用于服装上的可穿戴器件，同时缺乏穿戴舒适性。另一方面，膜结构的集成器件往往也不具备透气性，难以与服用类织物嵌合的。制备符合服用需求的可高效集成的湿气发电器件具有重要意义。一维纤维/纱线由于其通常较高的机械强度和灵活性，可以承受所有类型的机械弯曲、滚动和扭曲，并且纤维/纱线形状的装置可以通过编织技术集成。因此，纤维/纱线状的发电机是灵活电源的理想选择。

鉴于此，东华大学覃小红教授、王黎明研究员团队与新加坡国立大学Tan Swee Ching教授团队合作，制备了一种基于静电纺纳米纤维包芯纱的纱线状湿气诱导发电机（YMEG）。长度为2 cm的纱线器件通过湿气诱导金属电极与纳米纤维负载物的弱化学反应，产生0.8 V的开路电压和14.3 μA/cm2的电流密度，可直接用于小型电子器件的供电。此外，有序排列的纱线发电机可以方便嵌入织物，并同时实现电流和电压的协同增加，为纱线状湿气诱导发电机可穿戴器件的规模化集成应用提供了新思路。相关成果以“Weavable yarn-shaped moisture-induced electric generator”为体发表在《Nano Energy》，论文第一作者为东华大学纺织学院博士研究生孙朝阳，王黎明研究员、覃小红教授和Tan Swee Ching教授为共同通讯作者。

图1 纱线状湿气诱导发电机的结构设计、性能与集成应用示意图。

制备方法：

作者采用对喷静电纺丝技术，首先以金属锌丝为芯丝电极，制备了PAN纳米纤维包芯纱，然后将制备的纳米包芯纱使用不同浓度的氯化钠（NaCl）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）进行浸渍烘干后整理，最后使用热蒸镀技术制备表层电极。SEM测试结果表明，经过后整理和镀银处理的纳米纤维包芯纱表面仍然呈现多孔结构，保证了湿气的有效渗透。

图2 纱线状湿气诱导发电机的制备与表征。

作者制备的纱线状湿气诱导发电机可以通过“错位有序堆叠”的方式与织物嵌合从而实现器件的规模化集成，且集成器件可以同时实现电流电压的增强。四个YMEG单元结合可以带动商业用计算器，而且YMEG在变形为各种形状时仍可以保持性能不变。此外，制备的YMEG还可以作为自供电传感器，用于接触传感和水汽检测，不同数量的潮湿手指接触会产生不同的电信号强度，进而可以分辨接触手指数量。

图3 湿气诱导发电机的集成与应用。

综上所述，作者开发了一种一维纱线状高性能湿气诱导发电机，可与织物服装舒适嵌合；并提出了一种简单高效的集成策略，实现输出电流电压的协同增强，为电子器件供电。此外，设计的纱线器件还具备优异的湿气传感性能，对不同湿度和不同湿气源有灵敏响应。此项工作为可穿戴湿气诱导发电机的设计与规模化集成应用提供了新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108748