基于功能化纳米纤维素水凝胶动态网络设计的高性能湿气发电机

为解决传统湿气发电机(MEG)因质子化和离子扩散不足导致的电性能受限问题，研究人员通过紫外引发聚合和溶剂置换技术，开发了功能化纳米纤维素(FCNF)与聚丙烯酰胺(PAM)复合的离子导电水凝胶(FCH)。该材料具有优异拉伸性(250%)和高导电性(17.3S m-1)，构建的MEG器件输出电压达1V，功率密度63nW cm-2，在宽湿度范围(15-98%RH)和低温(-20°C)下保持稳定，可通过串并联实现4.0V/5.4μA输出，为便携式自供电设备提供新方案。

　　

在全球能源危机与气候变化的双重压力下，开发新型可再生能源技术成为当务之急。湿气发电机(Moist-electric Generator, MEG)作为一种能从大气水分中直接获取电能的技术，因其可持续性和环境友好特性备受关注。然而现有MEG面临三大瓶颈：导电性能不足、机械柔性差、环境适应性有限。传统水凝胶材料虽然具有亲水优势，但普遍存在拉伸率低(<100%)、电导率弱(<1S m^-1)等问题，且多依赖有毒交联剂，严重制约实际应用。

黑龙江省杰出青年科学基金支持下的研究人员在《International Journal of Biological Macromolecules》发表创新成果，通过分子层面的精巧设计，将功能化纳米纤维素(Functionalized Cellulose Nanofiber, FCNF)与聚丙烯酰胺(Polyacrylamide, PAM)复合，开发出具有动态网络结构的离子导电水凝胶(FCH)。研究采用紫外引发聚合和溶剂置换技术，无需外加引发剂或交联剂，利用纳米氧化锌(ZnO)的光催化特性实现丙烯酰胺快速聚合，同时通过霍夫曼效应引入LiCl提升亲水性和导电性。

【材料设计与表征】部分显示，FCH水凝胶整合了FCNF的醛基、磺酸基与锂离子的协同效应，构建的三维网络结构兼具250%拉伸率和17.3S m^-1的高导电性。电镜分析证实材料具有均匀多孔结构，X射线衍射显示纤维素I型结晶特征，红外光谱验证了磺酸基的成功引入。

【发电性能测试】结果表明，基于FCH的MEG器件开路电压达1V，短路电流密度1.38μA cm^-2，最大功率密度63nW cm^-2，性能优于多数报道的 hydrogel-based MEG。通过采用铝电极构建不对称电极对，利用电化学反应引入新离子，进一步扩大了离子浓度梯度。

【环境适应性研究】显示该器件在15-98%相对湿度和-20°C低温下均能稳定工作。五个串联单元可实现4.0V电压输出，五个并联单元获得5.4μA电流，成功驱动电容器和LED灯，证实其实际应用潜力。

该研究由第一作者Yachong Zhu与通讯作者Yongming Song团队完成，创新点在于：1) 分子水平协同设计避免使用有毒交联剂；2) 动态网络结构平衡导电性与机械性能；3) 不对称电极策略增强输出性能。研究为开发绿色高效的柔性自供电设备提供了新思路，特别适用于可穿戴电子和物联网传感器等领域。作者在讨论部分指出，未来通过优化纤维素功能化程度和电极材料选择，有望进一步提升能量转换效率。该成果标志着生物质基能源材料研究的重要进展，为可持续发展目标下的新能源技术开发提供了可行路径。