國際仿生工程學會 - 華南理工劉德桃團隊Nano Energy：長周期自發呼吸空氣水分子的天然離子木材發電機－鑽石舞台

隨着能源危機的持續威脅和化石能源的持續消耗，清潔能源和低碳環保材料備受國內外研究者們的廣泛關注。與其他清潔能源如太陽能、風能、氫能、核能、水力能等發電相比，氣態水分子（濕氣）是一種儲量極為豐富且可循環、持續利用的自然資源，具有分布極廣、成本低廉、易採集且不受任何氣候和地理條件的限制等優勢。依靠濕氣誘導發電是一項涉及眾多學科的集成技術，具有在自供電電子、醫療保健、安全、信息存儲、人工智能和物聯網等領域廣泛應用的巨大潛力，是當前我國可再生新能源領域研究的熱點之一。目前，濕氣發電的發展仍存在發電性能低且穩定性、持久性較差等瓶頸問題，亟需發展高水平濕氣產電的新型功能材料，應對工業、農業、城市智慧生活的重大應用需求，同時為未來戰場、極端環境作業取電等提供一個新的重大技術支持。

華南理工大學輕工科學與工程學院劉德桃課題組受樹木自然生長過程中水分子、離子運輸機制啟發，開發了一種木材腔壁微納米表面操縱技術，由天然木材直接加工成了一種特殊的離子木材功能結構，同時還保存了天然木材獨特的從上到下能夠定向輸送離子的微通道，並在腔壁表面形成了一種由納米纖維素粘連LiCl納米粒子構建的蜘蛛網狀超結構，高效捕集空氣水分子，實現高效可持續的離子運輸機制，使得自供電設備的電量輸出水平及其穩定性方面取得了重大突破。

圖1. 離子木材的製備過程及器件的發電性能

單個器件面積（40 mm × 40 mm × 3.0 mm）具有優異的產電能力（～700 mV開路電壓，～712 μA短路電流；其中短路電流輸出能力是當前大多數功能材料的100～1000倍）。該項新技術還具有很強的氣候環境適應性和穩定性，在嚴苛的外界環境中及劇烈的環境因素的波動下電壓可以保持相對穩定，在環境濕度大動態變化下（RH= 5～100%）獲得較穩定發電的優勢，該項新技術突破並解決了當前濕氣產電設備難以實現高電壓、高電流及穩定性的共性難題，將為未來戰場極端野外生存、軍用蜜蜂無人機、高空大氣氣候監測、乾旱沙漠及南極洲極端環境作業取電提供了新的技術支持。

圖2. 器件的放電性能與濕度的關係及器件的充放電曲線

圖3. 器件的濕氣轉換機理

圖4. 濕氣發電的應用

課題組成員還通過充放電曲線的測試，發現該器件也具有類似於商業電池一樣的反覆充放電的性能，不同的是該器件充電的原料僅僅是環境空氣中無處不在的水分子，而不是電力。

在後續進一步技術與材料結構優化中，作者發現該設備可在空氣中長周期自發地反覆充放電且衰減很小，具有在室內建築照明設備供電、新能源交通動力、軍事工業等應用的巨大商業潛力，已獲得相關知名企業的高度關注和緊密洽談。

2022年2月17日，該科研成果在線發表於國際高水平知名期刊Nano Energy，華南理工大學輕工科學與工程學院劉德桃老師為論文的通訊作者，碩士生李楊為論文第一作者。其他參研人員崔結東、沈浩宇、劉超成、吳培琳、錢志雲、段雨龍均為本項工作做出了重要貢獻。該項研究得到了廣東省自然科學基金項目等課題的資助。

原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

Useful spontaneous hygroelectricity from ambient air by ionic wood

Yang Li, Jiedong Cui, Haoyu Shen, Chaocheng Liu, Peilin Wu, Zhiyun Qian, Yulong Duan, Detao Liu

Nano Energy,2022,96, 107065, DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107065

課題組簡介

華南理工大學輕工科學與工程學院劉德桃課題組的研究致力於發現和探索自然界樹木、草本植物等生長過程中獨特的物質運輸機制，從中獲得靈感和啟發，創新運用材料表面微尺度操縱技術，發展功能木材、紙、膜及其仿生納米結構的宏觀製備科學及工程技術，探索其對自然界可再生資源（如水分子、二氧化碳等）的高效捕獲與轉化機制，研究在低碳健康材料、水/空氣淨化、光學與噪聲控制、固態電化學及濕-熱電池系統等領域關鍵應用。目前已在國際高水平權威雜誌Energy & Environmental Science, Advanced Materials，Nano Energy, ACS Applied Materials & Interfaces, Advanced Sustainable System等發表高水平 SCI、EI 等期刊收錄論文 63 篇，論文引用近1000 次，H-Index 16；申請國家發明專利約50件（已授權近30件）和 1 件 PCT 專利，主持國家、省部級及企業技術開發項目近30項，有多項成果獲得規模生產與應用。社會學術兼職或榮譽主要包括：國際VEBLEO協會會士、國際IAAM協會會士、中國複合材料學會高級會員、中國複合材料學會青年工作委員會委員、英國皇家 RSC 會員、美國 ACS 會員、美國 TAPPI 會員等；榮獲廣東省高等學校「千百十人才工程」第八批校級培養對象、廣東省「特支計劃」科技創新青年拔尖人才（新材料領域）等。

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來源：X-MOL資訊