随着柔性可穿戴电子、微型环境传感设备快速迭代，无需外接电源、可利用环境湿气持续产电的湿气驱动发电器（MEG）成为自供能器件领域的研究热点。但现有湿气发电装置普遍存在输出功率衰减快、长期储存稳定性差、水汽定向输运难以调控等瓶颈，开发兼具高输出、超长服役寿命、柔性可编织的湿气发电膜材料是行业亟待突破的难题。
近日，安徽农业大学朱天雪教授联合福州大学赖跃坤教授，在国际期刊《Advanced Functional Materials》刊发最新研究成果“A Bilayer Electrospun Membrane With Gradient Structure for Long-Term Stable Moisture-Driven Energy Generator”。研究团队创新采用静电纺丝结合静电植绒改性电极策略，制备具有梯度孔隙结构的PAN/磺化聚苯胺（PAN/S-PANI）双层纳米纤维膜，搭配植绒碳布电极，构建出高性能、超长效稳定的湿气驱动发电装置。
本研究利用分步静电纺丝法，调配两种浓度的PAN/S PANI纺丝液，构筑疏松层与致密层相结合的双层薄膜，再通过LiCl浸泡改性，依靠两层纤维疏密差异，在膜内搭建湿度和离子传输通道。将短切碳纤维经过酸碱活化后静电植绒得到改性碳布电极，碳纤维垂直规整排列，耐摩擦性能优异，可以显著提高水汽蒸发与离子传输效率。一系列表征测试证实功能元素均匀分布，磺酸基团成功引入，LiCl掺杂提升了薄膜亲水性，两层薄膜固有的电位差助力离子定向移动；在器件组装时将疏松层搭配铝电极、致密层连接植绒碳布电极，边缘密封之后，依靠双层梯度结构实现水汽单向输送。
图1：梯度双层电纺膜湿气发电器件结构、纤维形貌、电极性能及与同类器件性能对比。
在45℃、相对湿度＞80%环境下，1 cm²尺寸器件可实现开路电压1.1 V、短路电流3.3 mA，最大功率密度达412 μW/cm²。
梯度双层结构优势：同等膜厚下，单层疏松膜短路电流仅1.0 mA、单层致密膜仅0.45 mA，梯度双层结构电流提升至1.55 mA（图2a）；反向梯度排布会大幅削弱输出，证明水汽从疏松向致密层定向迁移是高效产电核心；植绒电极增益：普通碳布电极器件电流仅0.4 mA，植绒改性后电流提升4倍，垂直碳纤维加速水汽挥发，持续维持膜内湿度梯度（图2c）；环境适应性：电压随湿度40%~70%持续上升，湿度超过70%后电压小幅回落，但电流持续提升；温度升高可加速离子迁移，45℃达到输出峰值。
图2：梯度双层电纺膜湿气发电器件结构、纤维形貌、电极性能及与同类器件性能对比。
这一工作最突出突破为长效服役能力：器件常温环境储存180天后，仍稳定输出约0.7 V电压、450 μA以上电流；连续18天温湿度波动环境下不间断运行，输出无明显衰减；干湿循环充放电可自主恢复初始电压，具备可逆自充电特性。
摩擦试验表明，器件经受200次摩擦后发电性能基本不变，500次摩擦仅因表层碳纤维脱落造成电流轻微衰减，适配日常穿戴使用条件。工作机制层面，疏松层依靠毛细作用吸收水汽并促使水分子向致密层移动形成湿度梯度；S PANI中的磺酸基团遇水释放氢离子，LiCl增强薄膜吸湿能力，推动离子由疏松层向致密层定向迁移；植绒碳布加速水汽挥发，促使阳离子富集并和铝电极之间形成电势差从而持续发电，KPFM测试结果也印证了这套离子传输机理。通过串并联组合能够有效提升输出性能，9组器件串联电压可达7.6 V，并联后短路电流达到1.4 mA，做成5×10织物阵列更是可以输出41.4 V电压（图3a-c）。整个发电器件质地轻薄柔软，可随意弯折缝制为穿戴袖套，不仅能够持续为计算器、智能手表等多款低功耗设备供电，遇到水汽或者生理盐水浸润还能快速恢复发电性能。
图3：柔性织物基 MEG 器件可通过串并联优化电学输出，稳定性优异且性能可恢复，能够驱动多种可穿戴电子设备
该梯度双层电纺湿气发电器融合静电纺丝多孔网络、导电聚苯胺离子供给、植绒电极高效蒸发三重优势，解决了传统湿气发电装置寿命短、输出弱、水汽调控难的核心痛点。轻质柔性、可编织、超长储存稳定的特性，使其在可穿戴自供电传感、人体健康监测织物、户外无源环境探测器、植入式微型低功耗医疗器件、柔性智能纺织等领域具备广阔落地潜力，为环境湿气清洁能源收集提供全新设计思路。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.76897
人物简介：
朱天雪，安徽农业大学材料与化学学院教授，本研究论文通讯作者，长期聚焦静电纺丝纳米纤维、湿气/光热驱动自供能器件、柔性功能材料研究，致力于开发低成本、长效稳定的环境能量收集柔性薄膜体系。团队联合福州大学赖跃坤、黄剑莹，中国科学技术大学博士后程燕等国内外高校课题组协同攻关，依托国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、安徽农业大学科研启动基金等多项项目资助完成本研究。研究成果为梯度多孔电纺纤维在自驱动能源器件领域的开发提供完整制备工艺、性能调控方案与机理解释体系。
