利用橡木菇椴木生物炭构建湿度扩散能量采集器：结构性能关系及其在传感器驱动与电容存储中的应用

本研究针对传统可再生能源技术受限于天气、基础设施及环境风险等问题，开发了一种基于橡木菇椴木生物炭（OML-BC）的湿度扩散能量采集器（MDEH）。通过KOH活化和硝酸氧化调控介孔结构与表面化学，显著提高了MDEH的电输出（Voc=333 mV，Isc=18.7 μA），实现了自驱动传感器运行与电容储能，为可持续、低功耗电子设备提供了新材料平台。

　　

随着全球人口持续增长、化石燃料逐渐枯竭以及环境问题日益严峻，开发经济、可持续的新一代能源已成为当务之急。尽管风力发电、太阳能光伏、压电发电机、水力发电系统乃至生物质气化等技术已被广泛探索，它们仍存在诸多局限性，例如依赖特定天气条件、地理位置限制、制造与废弃过程中的环境与健康风险，以及高能耗和二次污染等问题。这些挑战促使研究者将目光转向更简单、环境友好且能在环境条件下运行的能量收集装置。其中，利用环境中水分扩散产生电能的湿度扩散能量采集器（Moisture-Diffusion Energy Harvesters, MDEH）展现出巨大潜力。它们结构简单、材料选择灵活，且能利用地球上最丰富的能量载体——水，覆盖全球71%的表面并每年吸收和释放约60万亿千瓦的能量，尤其适合为离网和自持式设备（如传感器和可穿戴电子产品）供电。

然而，MDEH的性能高度依赖于所用材料的内部结构和化学组成。理想的材料应具备亲水性、丰富的介孔/微孔通道以及梯度结构，以促进水分传输和后续蒸发，同时表面的羧基、羟基等官能团能增强水分亲和力并触发离子传输，从而形成流动电位。为此，开发具有特定孔隙结构和表面特性、源自低成本生物基材料且碳足迹低的材料，成为推动该技术实际应用的关键。

在这项发表于《Biomass and Bioenergy》的研究中，研究人员以橡木菇椴木（Oak Mushroom Logwood, OML）这种年产量达6000万吨且常被焚烧处理的废弃生物质为原料，通过KOH活化、机械球磨和硝酸氧化等一系列物理化学方法，系统调控了生物炭的介孔结构和表面官能团，制备出高性能MDEH器件，并深入探究了材料特性与器件性能之间的构效关系。

研究采用了几项关键技术方法：首先，利用KOH溶液浸渍OML原料并在500–700°C下碳化制备生物炭（OML-BC），通过氮气吸附（BET/BJH法）和扫描电子显微镜（SEM）表征其比表面积和孔结构；其次，采用球磨机对生物炭进行不同时间（5–120分钟）的机械研磨，并利用硝酸（1–5 M）在80°C下进行1–5小时氧化处理，以调控其表面化学性质；随后，通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）分析材料的晶格结构、缺陷程度和表面官能团；最后，将优化后的生物炭与十二烷基苯磺酸钠、炭黑等配成生物墨水，涂覆在纤维基底上制作MDEH器件，使用源表（Keithley 2450 SMU）测量其开路电压（Voc）和短路电流（Isc），并演示了其在触摸/光传感器驱动和电容充放电中的实际应用。

3.1. 生物炭的物理化学特性

通过KOH活化，OML生物炭的比表面积显著提高，其中700°C活化的样品（OML-BC700）表现最佳，BET表面积达982.4 m²/g，介孔体积为0.20 cm³/g。SEM图像显示活化后材料表面形成丰富孔隙，而未活化样品则结构致密。

3.2. 球磨对生物炭表面特性的影响

短时间球磨（5分钟）可在保留高比表面积（919.1 m²/g）的同时增加介孔体积（0.24 cm³/g）和介孔表面积（116.9 m²/g），但长时间研磨会导致孔隙坍塌和颗粒团聚，反而降低性能。XRD和拉曼光谱进一步证实，适度球磨引入的结构缺陷（I_D/I_G增至1.22）有利于水分吸附和离子传输，但过度研磨会破坏导电性。

3.3. 硝酸处理的序列效应

硝酸氧化进一步提升了材料的孔隙结构和亲水性。经5 M HNO₃处理3小时的样品（OML-5M3H）BET表面积达到1047.5 m²/g，介孔体积增至0.33 cm³/g，XPS分析显示其表面引入了丰富的C–O和O–C=O官能团，增强了水分吸附能力。但过度氧化（如5 M, 5小时）会导致碳骨架降解，反而损害性能。

3.4. MDEH器件的性能评估

基于优化材料（OML-5M3H）的MDEH器件表现出最佳电输出：Voc达333 mV，Isc为18.7 μA，且性能在10次循环和3个月储存后仍保持稳定。SEM显示，添加炭黑的生物墨水能更深渗透纤维基底，形成粗糙表面，进一步提升了输出性能。与既往研究相比，该工作虽绝对输出略低，但生物炭产率更高（13.2% vs 3.5%），更利于规模化应用。

3.5. 自驱动传感与电容储能演示

串联5个MDEH器件可成功驱动触摸传感器（接触时信号电压降为零）和光敏电阻（光照变化时电压显著响应）。24个器件组成的模块（3并联8串联）能在20分钟内将100 μF电容充电至3.0 V，并持续放电超过1800秒，证明其具备实际能量存储与释放能力。

3.6. 构效关系与回归分析

相关性分析表明，MDEH的输出性能与介孔体积（与Isc相关性r=0.83）和含氧官能团含量呈正相关，而与微孔关系较弱。回归模型预测显示，介孔体积可较好预测Isc（R²=0.707）和Voc（R²=0.654），证实介孔结构和表面化学是影响器件性能的关键因素。

本研究通过系统优化OML生物炭的制备与改性工艺，成功开发出高性能湿度扩散能量采集器，实现了自驱动传感器运行与电容储能，并明确了介孔结构和表面官能团对器件性能的协同促进作用。这些发现不仅为生物质废弃物的高值化利用提供了新途径，也为设计低成本、可持续的下一代能源收集装置奠定了理论基础与技术支撑。未来研究可进一步探索绿色活化路线（如蒸汽/CO₂活化）替代KOH，以降低环境影响，并拓展MDEH在物联网、可穿戴设备等领域的应用潜力。