研究背景

水電伏特技術(shù)可通過吸收或轉(zhuǎn)移自由水發(fā)電，是可再生能源領(lǐng)域的潛在研究方向，自驅(qū)動(dòng)柔性傳感器成為重要研究熱點(diǎn)。受生物啟發(fā)，如仙人掌、蜘蛛絲和豬籠草等生物結(jié)構(gòu)對(duì)水分的高效收集和傳輸，為調(diào)控水電伏特效應(yīng)提供了思路。目前，控制纖維結(jié)構(gòu)和性能以實(shí)現(xiàn)高效水電伏特能量輸出仍面臨挑戰(zhàn)，現(xiàn)有仿生纖維制備方法存在局限性，如表面形態(tài)單一、難以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)仿生等。 

研究成果

通過吸收或轉(zhuǎn)移自由水而無需化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電的水伏技術(shù)，已被視作可再生能源的潛在候選技術(shù)。包括水伏纖維在內(nèi)的自供電柔性傳感器，正成為可再生能源領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。然而，由于需要調(diào)節(jié)水的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)性能差異，在功能纖維中集成傳感和發(fā)電功能仍然頗具挑戰(zhàn)。在此，東華大學(xué)劉宣勇&中科院上海硅酸鹽所邱家軍研究員團(tuán)隊(duì)受蜘蛛多模態(tài)紡絲的啟發(fā)，提出一種氣液兩相流紡絲方法，該方法利用氣泡引發(fā)的紡絲液變形來制造空心、實(shí)心紡錘形和鋸齒形纖維。這些結(jié)構(gòu)改變了水的吸附和轉(zhuǎn)移行為，使其適用于能源和傳感領(lǐng)域的水伏器件的特定應(yīng)用。由海藻酸鹽橋接的MoS₂制備的成型纖維可實(shí)現(xiàn)廣泛的水伏應(yīng)用。所得纖維的功率密度為2.18毫瓦/立方厘米，能在2.1伏電壓下穩(wěn)定運(yùn)行43小時(shí)，靈敏度為9.36毫伏/相對(duì)濕度%/秒，這使得開發(fā)用于鼻腔周期監(jiān)測(cè)、診斷和治療的智能口罩成為可能的應(yīng)用方向。紡絲材料還擴(kuò)展到羧甲基纖維素、聚乙烯醇等材料，為結(jié)構(gòu)響應(yīng)型水電材料的設(shè)計(jì)提供了思路，并推動(dòng)了紡織電子學(xué)的發(fā)展。 該論文《Gas–liquid two-phase bubble flow spinning for hydrovoltaic flexible electronics》發(fā)表于Nature Communications，報(bào)道了一種氣液兩相流紡絲方法，可制備具有不同表面形態(tài)的多功能軟纖維，在水電能和傳感領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用潛力。

研究亮點(diǎn) 

1. 提出氣液兩相流紡絲方法，無需改變噴絲頭即可制備多種形態(tài)功能纖維，克服了傳統(tǒng)紡絲方法的局限，且成本低、工藝簡(jiǎn)單。    

2. 制備的纖維展現(xiàn)出卓越性能，如空心紡錘形纖維吸水率達(dá)414% ，實(shí)心紡錘形纖維集霧量為44.6 μL/mm，凹齒形纖維水傳輸速度達(dá)6890μm/s。SA-b-1T-MoS?纖維的e-纖維具有高功率密度2.18 mW/cm³、長(zhǎng)發(fā)電時(shí)間（43小時(shí)）和高靈敏度（9.36mV/RH%/s）。  

3. 該纖維在能源、環(huán)境傳感和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如用于制作仿生發(fā)電蜘蛛網(wǎng)、智能呼吸監(jiān)測(cè)口罩，為可穿戴設(shè)備和遠(yuǎn)程醫(yī)療發(fā)展提供了新方向。

研究?jī)?nèi)容

氣液兩相流紡絲制備多結(jié)構(gòu)纖維：模擬蜘蛛吐絲原理，利用氣液兩相流在水平管道中形成的不同流型（單氣泡、段塞氣泡和環(huán)形流），通過控制氣液流速比，制備出空心紡錘形、實(shí)心紡錘形和凹齒形等多種形態(tài)的功能纖維。通過數(shù)值模擬揭示了氣泡變形和纖維成型的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，并構(gòu)建了三元相圖來描述不同纖維形態(tài)與紡絲參數(shù)間的關(guān)系。   

紡絲液表征及水電伏特纖維制備：制備海藻酸鈉（SA）橋接的1T-MoS?復(fù)合紡絲液，通過多種表征手段證實(shí)SA成功插層到MoS?層間，且層間距增大，材料有序度提高。將該復(fù)合紡絲液用于制備纖維，得到具有特定結(jié)構(gòu)的水電伏特纖維。

纖維與水的相互作用及性能研究：研究不同結(jié)構(gòu)纖維與水的相互作用，發(fā)現(xiàn)空心紡錘形纖維吸水性最強(qiáng)，實(shí)心紡錘形纖維集霧能力出色，凹齒形纖維水傳輸速度快。將碳納米管纖維纏繞在制備的纖維上制成e-纖維，測(cè)試其水電伏特性能，結(jié)果表明不同結(jié)構(gòu)的e-纖維在開路電壓、發(fā)電持續(xù)時(shí)間和靈敏度等方面表現(xiàn)各異。

水電伏特發(fā)電機(jī)制及結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)制：探討SA-b-1T-MoS?纖維的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)制，在低濕度下主要通過質(zhì)子跳躍傳導(dǎo)，高濕度下則通過Grotthuss機(jī)制傳導(dǎo)。研究不同纖維結(jié)構(gòu)的水電伏特性能差異機(jī)制，建立等效電路模型，發(fā)現(xiàn)纖維結(jié)構(gòu)可影響濕度梯度動(dòng)力學(xué)和水遷移速率，進(jìn)而影響輸出電壓和電流。    - **纖維的水電伏特應(yīng)用**：將e-纖維應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、人機(jī)界面和智能呼吸監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。制備的仿生發(fā)電蜘蛛網(wǎng)可產(chǎn)生1.2V電力持續(xù)25小時(shí)，足以驅(qū)動(dòng)計(jì)算器；集成e-纖維的智能口罩可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸活動(dòng)，用于睡眠呼吸暫停低通氣綜合征的診斷和遠(yuǎn)程醫(yī)療。