韩国延世大学Ceolmin Park等综述：纤维素基水伏发电—从分子材料到器件集成

Cellulose-enabled Hydrovoltaic Energy Generation: from Molecular and Materials Design to Device Integration

EunAe Shin, Guangtao Zan, Kaiying Zhao, Shengyou Li, Gwanho Kim, Minji Kwon, HoYeon Kim, Jin Kie Shim*, Cheolmin Park*

Nano-Micro Letters (2026)18: 408

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02243-3

本文亮点

1. 根据工作机制将新兴的纤维素基水伏发电器系统划分为四类，并综合阐述了其研究进展。

2. 阐明了调控水化与离子传输的分子及微观结构-性能-效能关系，从而为利用纤维素本征表面分子化学与结构可调性提供了工程策略。

3. 本文全面综述了基于纤维素水伏能的用户交互式电子新兴应用，涵盖面向生物与环境活动的电源及自供电传感器领域。

研究背景

在全球能源转型与低碳发展需求持续增长的背景下，如何从环境中广泛存在但尚未被充分利用的低品位能量中稳定获取电能，已成为先进能源材料研究的重要方向。水不仅覆盖地球表面的大部分区域，还以大气湿气、水蒸气、河流与海水、雨滴以及汗液等多种形态广泛存在。水伏发电(hydrovoltaic energy generation，HEG)正是利用水与固体材料之间的吸附、蒸发、流动、渗透及接触起电等过程，将界面电荷分离和离子迁移转化为可利用电能。与依赖光照或温差的传统能量采集技术相比，水伏发电具有环境适应范围广、器件结构简单、可直接耦合自然水循环等特点，为分布式、低功耗和自供能电子器件提供了新的能源解决方案。

内容简介

水伏能量收集(HEG)为实现水-固界面相互作用向电能的可持续转化提供了新途径，然而目前针对纤维素基体系的系统性指导仍较为零散。韩国生产技术研究院 Jin Kie Shim&延世大学 Cheolmin Park等人综述了基于纤维素的水伏器件在四大主流类型——湿气发电、蒸发发电、渗透发电及液滴发电中的研究进展，并阐明了纤维素的结构层级、表面化学性质及其水合行为在电水动力传输与器件整体性能中的作用机制。除总结现有成果外，本文通过整合性能对照表进行系统级基准评估，明确关联材料组成与器件结构对输出功率、运行稳定性及典型应用场景(如供能电源、自供电传感器与环境监测)的影响，从而提出可落地的设计准则。文章进一步系统剖析了驱动纤维素基水伏效应的化学原理，涵盖界面电荷调控、双电层形成与重叠、唐南效应及离子交换作用，为优化输出电压、电流密度、功率密度及长期稳定性构建了统一的理论框架。这一机制导向的视角将纤维素材料设计与湿气、蒸发、渗透及液滴四类发电系统的功能表现紧密衔接，同时指明了高效环保水伏技术在可持续原料获取、标准化测试及规模化制备方面的实践方向。

图文导读

I 水伏发电的发展脉络与纤维素平台

水伏发电并非完全新近出现的概念，其理论基础可追溯至 1808 年发现的电渗和电泳现象。此后，电双层理论、1859 年报道的流动电势以及 1945 年提出的反向电渗析，为理解固–液界面电荷分离和盐度梯度能量转换奠定了基础。进入二十一世纪后，纳米材料和纳米流体学的发展推动了湿气梯度扩散、蒸发诱导发电、液滴发电以及上游质子扩散等新机制不断出现。

图 1a 以时间轴总结了水伏发电核心理论与代表性机制的演进；图 1b 的关键词网络显示，该领域已形成围绕纤维素、蒸发、湿气、离子传输、电双层和功率输出等主题的交叉研究集群；图 1c 则梳理了自 2019 年以来纤维素水伏器件从多孔 CNF 湿气发电、湿织物蒸发发电，到分层/梯度结构、木材器件和复合膜体系的发展过程。整体趋势表明，研究重点正在由单一材料验证逐步转向分子调控、结构工程和器件集成。

图1. 纤维素赋能水伏发电概览。a 水伏发电相关关键理论与机制的演化；b 纤维素水伏发电研究关键词的 VOSviewer 网络图；c 纤维素水伏发电器件的发展时间线。

II 纤维素的结构基础、加工方式与功能特性

纤维素由 β-(1→4) 糖苷键连接的 D-葡萄糖单元构成，每个脱水葡萄糖单元含有三个羟基。链内和链间氢键使纤维素从单分子链逐级组装为基本原纤、微原纤和宏观纤维，并形成结晶区与非晶区共存的层级结构。结晶区赋予较高强度，非晶区则更容易吸水、溶胀和发生化学修饰。微原纤之间形成的纳米级空隙可提供毛细水输运和离子限域通道，这是纤维素用于水伏发电的重要结构基础。

图 2a 展示了木材、棉花、草本植物、农作物、果蔬、绿藻和细菌等多种纤维素来源。图 2b–d 将半纤维素/木质素包覆的天然植物结构、纤维素链及其与湿气、蒸发水流、盐水和液滴的相互作用联系起来，并对应形成湿气能量发电机(MEG)、蒸发能量发电机(EEG)、渗透能发电机(OEG)和液滴能量发电机(DEG)四类器件。图 2e 进一步概括了其潜在应用，包括电源、湿度监测、运动传感、食品保鲜和水位报警。该图体现了综述的核心逻辑：从原料来源和分子结构出发，经水–材料相互作用和器件机制，最终连接具体应用。

图2. a 纤维素材料的来源及相对比例；b–d 纤维素结构与不同形态水之间的相互作用，并由此形成四类水伏发电器件；e 纤维素水伏发电的典型应用场景。

纤维素的可设计性主要来自 C2、C3 和 C6 位羟基的化学反应。其中，空间位阻较小的 C6 位伯羟基更易发生选择性氧化，例如 TEMPO 氧化可将羟基转化为带负电的羧酸盐基团；C2 和 C3 位仲羟基则深度参与氢键网络。通过醚化、酯化、磺化、磷酸化或胺化，可获得羧甲基纤维素、纤维素乙酸酯、甲基纤维素、羟乙基纤维素及阳离子纤维素等衍生物，从而调控吸湿性、表面电荷密度、离子交换能力和水中尺寸稳定性。

图 3a 总结了代表性纤维素衍生物；图 3b 展示了从一维纤维、二维薄膜到三维多孔体的典型加工路线，包括加捻、湿法纺丝、热压、真空抽滤、冷冻干燥和激光加工等；图 3c 概括了纤维素的吸湿性、亲水性、热稳定性、力学强度、生物相容性、可降解性和柔性等综合特征。需要指出的是，亲水性既是发电所需的核心属性，也可能导致长时间高湿条件下的溶胀、软化和孔道坍塌。因此，材料设计必须在水吸附能力与结构稳定性之间取得平衡。

图3. 纤维素基材料的类型、加工方法与性能。a 代表性纤维素衍生物；b 一维、二维和三维结构的加工方法；c 纤维素材料的主要物理化学与生物学特性。

III 纤维素水伏发电的统一作用机制

双层(electric double layer，EDL)是四类水伏机制共同的界面基础。当纤维素表面的羟基、羧基或磺酸基在水中发生部分离解后，固体表面形成净电荷，并吸引反离子形成紧密层与扩散层。剪切面处的电势即 ζ 电势。当孔径接近电解质的 Debye 长度时，相对孔壁上的电双层发生重叠，孔道内共离子被排斥、反离子优先通过，从而形成离子选择性和净电流。

图 4a、b 示意了电双层结构、ζ 电势和纳米孔道中的电双层重叠。图 4c 所示 MEG 依赖不均匀吸湿或湿度梯度引起的离子浓度差和质子扩散；图 4d 所示 EEG 由持续蒸发维持毛细水流，流体拖曳扩散层内的可移动离子形成流动电流和流动电势；图 4e 所示 OEG 利用膜两侧盐度差产生化学势差，并借助带电纳米通道实现选择性离子扩散；图 4f 所示 DEG 则通过液滴铺展、滑动或回缩改变固–液接触面积和界面电容，引发外电路中的瞬态电荷位移。

在真实纤维素体系中，经典刚性界面的 EDL 模型并不能完全适用。纤维素会随水合发生动态溶胀，孔径、电荷密度和氢键网络均随时间变化，因此局部区域可能同时存在 EDL 重叠和非重叠状态。质子还可能沿连续氢键网络通过 Grotthuss 跃迁机制传输，而在高盐度或孔径较大时，则逐渐转为水合离子的常规扩散。理解这些动态、非均匀界面过程，是建立可靠结构–性能关系的关键。

图4. 不同类型水伏发电器件的能量转换机制。a、b 电双层及其在纳米孔道中的作用；c 湿气发电(MEG)；d 蒸发发电(EEG)；e 渗透能发电(OEG)；f 液滴发电(DEG)。

IV 纤维素水伏发电的材料与器件设计框架

作者将研究进展按四种能量来源进行分类，并在每一类中进一步区分纯纤维素体系和纤维素复合体系。纯纤维素体系主要利用本征羟基、纳米纤维网络和天然各向异性孔道，通过氧化、离子化、交联和结构致密化调控表面电荷与离子通路；复合体系则引入导电填料、离子聚合物、二维材料、MOF 或 COF 等组分，以提高电子/离子传输效率、吸湿能力或界面稳定性。

图 5 概括了第 4 节的组织结构：MEG 重点关注水合和离子扩散，EEG 强调蒸发驱动的持续水流，OEG 依赖盐度梯度和离子选择性，DEG 则聚焦液滴界面起电。各类器件的性能优化均可归结为四个层次：表面分子化学、材料组成、微纳结构以及器件架构。该框架有助于将分散的研究结果转化为可比较、可迁移的设计原则。

图5. 按 MEG、EEG、OEG 和 DEG 分类，并从纯纤维素、复合材料及器件结构等层面总结性能优化策略。

V 纤维素赋能湿气发电(MEG)

5.1 纯纤维素湿气发电体系

MEG 通过纤维素对大气水分的自发吸附，在多孔网络中形成水合离子通道。若材料两侧存在湿度、官能团密度或水合程度差异，便会产生离子浓度梯度和定向扩散。TEMPO 氧化 CNF 气凝胶中丰富的 –COOH 和 –OH 可吸附水分，并主要依靠 H⁺ 在纳米通道中的迁移产生电势。其开路电压随相对湿度升高而增加，在约 99% RH 下可达到约 0.10–0.11 V；但过高羧基含量可能造成过度水合和结构坍塌，反而降低输出。

图 6a–c 展示 TEMPO-CNF 气凝胶器件、不同相对湿度下的电压响应以及羧基含量对性能的影响。图 6d、e 通过 Al3⁺ 与纤维素羟基配位，使多价离子同时承担吸湿盐和离子交联剂的作用，在维持孔隙的同时提高抗溶胀性，代表性器件可实现约 0.95 V、112 μA cm⁻2 和 106.1 μW cm⁻2 的输出。图 6f 采用环氧氯丙烷构筑共价交联网络，以增强湿态尺寸稳定性。

除网络强化外，建立空间梯度也是提高电势差的有效途径。图 6g 通过梯度蒸发策略在纸张中构筑柠檬酸浓度梯度；图 6h 将 CNF 与聚离子液体和离子液体结合，增加可迁移离子并形成稳定离子凝胶；图 6i 利用静电纺丝纤维素乙酸酯膜形成高比表面积多孔网络；图 6j 展示纳米纤维素水凝胶 MEG；图 6k 则利用木材天然取向通道构筑双层湿气发电器件。由此可见，纯纤维素 MEG 的核心并非单纯提高吸水量，而是同时维持不对称水合、可连续离子通道和稳定结构。

图6. 纯纤维素基 MEG。a TEMPO-CNF 气凝胶器件示意图；b 不同相对湿度下的输出电压；c 不同羧基含量对输出的影响；d Al(III) 负载并交联的 CNF 气凝胶结构；e 交联与未交联气凝胶在湿气流和环境干燥下的结构差异；f 环氧氯丙烷共价交联纤维素的化学结构；g 柠檬酸梯度纸张；h CNF/聚离子液体复合体系；i 静电纺丝纤维素乙酸酯纳米纤维膜；j 纳米纤维素水凝胶 MEG；k 双层木材基 MEG。

5.2 纤维素复合湿气发电体系

复合策略可弥补纤维素电子导电性有限、单组分离子迁移率不足和输出稳定性较低等缺陷。图 7a–d 中，柠檬酸交联的 CNF/CNT 气凝胶通过氢键和共价交联保持孔道稳定，CNT 沿 CNF 表面形成连续导电网络；随着 CNT 含量增加，电压和电流均明显提升，代表性器件在 30% RH 下可达到 0.703 V、39 μA cm⁻2 和 28.9 μW cm⁻2。图 7e 采用 Ag 纳米线涂覆纤维素膜，为离子电势提供低电阻电子收集路径。

有序多孔框架可进一步提高离子存储和迁移效率。图 7f 中的磺酸化 COF-2SO₃H 提供高密度固定负电荷和规则孔道；图 7g 展示 MOF 在纤维素原纤上的原位生长与界面相互作用。图 7h 以吸湿层/蒸发层构成双层器件，通过水分吸收与释放差异建立长期梯度；图 7i 将 GO 与 CNF 水平排列形成平面异质结构；图 7j 以三层结构同时构筑离子密度和亲水性梯度；图 7k 模仿天然组织构建不对称 CNF/GO 通道，使水分和离子定向迁移。

图 7l 中，MXene 与 CNC 之间的强氢键作用形成协同网络，兼顾导电性、含水保持和力学稳定；图 7m 则引入集水凝胶，将空气中的水分持续输送至发电层。综合来看，导电填料负责快速电荷收集，带电框架增加离子选择性，梯度结构提供持续驱动力，而纤维素则承担吸湿、成孔、柔性支撑和环境相容等基础功能。

图 7. 纤维素复合 MEG。a 柠檬酸交联 CNF/CNT 气凝胶；b CNT–CNF 复合结构；c CNT 沿 CNF 表面排列的 TEM 图像；d CNT 含量对电压和电流的影响；e Ag 纳米线涂覆纤维素膜；f COF-2SO₃H/CNF 复合结构；g MOF 在纤维素原纤上的生长；h 吸湿层/蒸发层双层器件；i GOₓ/CNF 平面器件；j 具有离子密度和亲水性梯度的三层器件；k 仿生不对称 CNF/GO 结构；l MXene/CNC 氢键协同网络；m 集水凝胶耦合的 MEG。

VI 纤维素赋能蒸发发电(EEG)

6.1 纯纤维素蒸发发电体系

EEG 依赖持续蒸发维持水从储液端向蒸发表面的定向输运。带电纤维素孔壁上的扩散层离子被毛细水流拖曳，在流动方向上产生净离子迁移和电势差。与一次性湿气吸附不同，蒸发过程可在环境热量驱动下持续补充水流，因此器件的稳定输出与毛细供水速率、蒸发面积、孔道取向和表面电荷密切相关。

图 8a 以植物蒸腾为灵感，展示水由根部吸收并沿纤维束输送至蒸发端的仿生体系。图 8b 表明普通织物也可依靠纤维间毛细通道和纳米尺度蒸发产生电能。图 8c 为木材基 EEG，天然木材轴向排列的导管和纤维通道能够同时提供快速水输运和机械支撑。图 8d、e 展示木材脱木质素过程及其形貌变化：去除木质素和部分半纤维素后，纤维素孔道暴露、润湿性和离子可达性提高。

图 8f 比较脱木质素木材和天然木材在 NaOH 溶液中的电压输出；图 8g 说明木材沿生长方向和平行/垂直方向的水输运差异，强调各向异性通道对流动电势的重要性。图 8h、i 展示离子木材 EEG 及其在开放和密闭环境中的电压：开放环境中蒸发可持续维持水流，而密闭后蒸发减弱，输出相应下降。这一对比也证明蒸发而非简单电化学腐蚀是主要驱动力之一。

图 8. 纯纤维素基 EEG。a 模仿植物蒸腾作用的水输运与发电系统；b 织物基 EEG 及其 SEM 图像；c 木材基 EEG；d 天然木材脱木质素得到纤维素木材的过程；e 天然木材与脱木质素木材照片；f 两类木材在 NaOH 溶液中的输出电压；g 木材沿不同生长方向的水输运；h 离子木材 EEG；i 开放与密闭环境下的输出电压。

6.2 纤维素复合蒸发发电体系

为提升 EEG 的电荷收集和环境适应性，研究者通常将纤维素与碳材料、导电聚合物或二维材料复合。图 9a 展示炭黑涂覆织物在吸水、蒸发和再吸附过程中的工作方式，开路电压随水分状态变化。图 9b 中 Ti₃C₂Tₓ MXene 层存在两类水力过程：快速毛细浸润负责短时间建立水通路，较慢的蒸发诱导扩散则维持长期输出。图 9c 通过 PEDOT:PSS 涂覆棉织物，在保留纤维毛细结构的同时引入离子选择性和电子导电性。

图 9d、e 将再生纤维素/CNT 复合纤维编织成织物，纤维内部的取向通道和 CNT 网络共同促进水与电荷输运，其输出随 NaCl 浓度变化，表明盐浓度过低会限制载流子数量，而过高又会压缩电双层并削弱选择性。图 9f 构建炭黑涂覆棉织物自循环供水系统，使蒸发后的水分重新凝结并回流，减少外部补水需求。图 9g 则展示可放大制备的 CNF/CNT 复合气凝胶浮式发电器件。

可持续性是纤维素 EEG 的另一重要优势。图 9h 描绘纤维素经纤维素酶水解为纤维二糖并最终转化为葡萄糖的生物降解循环；图 9i 展示纯纤维素基体在土壤掩埋过程中的逐步降解；图 9j 对比 Janus 纤维素/GO 复合材料，说明引入不可降解功能填料后，基体虽可分解，但残余组分仍可能长期存在。因此，性能增强与全生命周期环境影响需要同步评价。

图 9. 纤维素复合 EEG。a 炭黑涂覆织物在蒸发和吸附过程中的发电及开路电压变化；b Ti₃C₂Tₓ 层中的快速毛细浸润与慢速蒸发扩散；c PEDOT:PSS 涂覆棉织物；d 纤维素/CNT 复合纤维及不同 NaCl 浓度下的电压；e 复合纤维织物；f 自运行炭黑/棉织物 EEG；g CNF/CNT 复合气凝胶及大尺寸样品；h 纤维素生物降解循环；i 纤维素基体土壤掩埋降解；j Janus 纤维素/GO 复合材料的降解过程。

VII 纤维素赋能渗透能发电(OEG)

7.1 纯纤维素渗透能发电体系

OEG 通常利用膜两侧的盐度差，将离子从高浓度侧向低浓度侧扩散的自由能转化为电能。理想膜应同时具有高表面电荷密度、与 Debye 长度匹配的纳米孔道、低内阻和良好湿态力学稳定性。纤维素本征电荷密度有限，因此常通过阳离子化、羧化、交联和取向处理提高 Donnan 排斥与离子选择性。

图 10a–c 展示 1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA)交联 CNF 膜。交联既提高负电荷密度，又调节孔道尺寸；当 BTCA 含量为 20 wt% 时，可在低盐浓度下形成明显 EDL 重叠，阳离子迁移数约为 0.81，功率密度可达 8.87 mW m⁻2，并保持 12 h 连续水中稳定运行。图 10d–f 以树皮为原料，经碱化和结构致密化获得高度取向的离子电缆，SEM 显示纤维排列紧密，薄膜在大幅弯折下仍保持完整，体现天然纤维组织在柔性离子器件中的优势。

图 10g–l 进一步采用细菌纤维素构筑非对称异质膜。不同孔道尺寸和表面电荷形成方向性离子输运；Poisson–Nernst–Planck(PNP)模型用于描述浓度梯度下的离子迁移，并预测 10 倍、50 倍和 100 倍浓差以及不同 pH 条件下的输出。正向与反向扩散示意表明，膜结构不对称会导致明显整流行为，可在复杂水体中增强能量提取的方向性和稳定性。

图10. 纯纤维素基 OEG。a 交联纳米纤维素网络形成离子选择性通道；b、c 20 wt% BTCA 交联膜的 AFM 相位和形貌图；d 树皮来源离子电缆的制备；e 高度取向致密纤维的 SEM 图像；f 碱化树皮薄膜的柔性；g 非对称纳米通道；h PNP 离子迁移模型；i 不同浓差下的模拟输出；j 固定 50 倍浓差时的 pH 响应；k、l 细菌纤维素异质膜中的正向和反向离子扩散。

7.2 纤维素复合渗透能发电体系

复合 OEG 的目标是在高离子通量与高选择性之间取得平衡。图 11a 将 GO 片层形成的二维通道与 TEMPO 氧化细菌纤维素(TOBC)原纤形成的一维通道结合，利用两类通道中的 EDL 重叠实现阳离子选择性。图 11b 的 g-C₃N₄/CNF 膜通过带电二维片层增加界面面积和固定电荷。图 11c、d 中 MXene/TOCNF 层状膜构筑多级异质纳米通道，截面 SEM 显示致密层状排列，有助于降低离子传输路径的无序性。

图 11e–g 展示含聚苯胺的取向层状膜，结构设计同时提高离子通量和选择性，拉曼映射用于验证聚苯胺在膜表面的空间分布。图 11h 将 MOF 嵌入 TEMPO-CNF，一方面扩大有效孔道并提高亲水性，另一方面增加离子筛分位点；代表性膜在 50 倍 KCl 梯度下可获得 1.87 W m⁻2、阳离子迁移数 0.93 和约 36% 的能量转换效率。图 11i 的 CNC/PVA@UiO-66-(COOH)₂ 膜利用含羧基 MOF 进一步增强固定负电荷。

图 11j、k 中，COF-LZU1 在 CNT–CNF 支撑层上形成约 2 nm 的规则孔道，COF 负责离子筛分，CNT–CNF 三维骨架提供缓冲和低阻传输空间；该异质膜在真实海水/河水梯度下可达到 4.26 W m⁻2。图 11l、m 则引入温敏 PNIPAM-g-sCC 复合膜，通过温度诱导聚合物链收缩或舒展，实现纳米通道可逆开闭与输出调控。这表明纤维素 OEG 已由静态选择性膜发展到具有外界刺激响应的智能离子器件。

图11. 纤维素复合 OEG。a GO 二维通道与 TOBC 一维通道的协同离子选择性；b g-C₃N₄/CNF 复合膜；c 多级异质纳米通道；d MXene/TOCNF 层状膜截面；e 高通量、高选择性取向膜；f、g 聚苯胺拉曼映射；h MOF/TEMPO-CNF 复合膜；i CNC/PVA@UiO-66-(COOH)₂ 膜；j COF-LZU1@CNT–CNF 异质膜；k COF-LZU1 原子结构；l PNIPAM-g-sCC 温敏膜制备；m 温度响应孔道开关机制。

VIII 纤维素赋能液滴发电(DEG)

DEG 通过液滴与固体表面的动态接触实现瞬态发电。液滴撞击、铺展、滑动和回缩会改变固–液接触面积 A，进而改变界面电容和表面电荷分布；外电路中的电荷为维持电势平衡而发生位移，形成电压和电流脉冲。天然叶片由纤维素细胞壁、表皮组织和疏水蜡层共同构成，兼具介电支撑、离子通路和可控润湿界面，因此本身即可作为可降解液滴能量采集器。

图 12a 给出叶片接入外电路后的截面和等效电路；图 12b、c 显示水滴撞击壳菜果叶片产生的开路电压和短路电流。图 12d–g 比较不同叶片的输出及其表面细胞/蜡晶结构，说明完整的超疏水蜡层可减少水膜残留、提高接触线移动速度和电荷分离效率。去蜡或熔融蜡层后，暴露的亲水纤维素容易形成连续水膜并造成电学短路，输出显著下降。

图 12h、i 表明液滴中离子浓度和 pH 会调控输出：低离子强度可略微增强电荷转移，而较高盐浓度会屏蔽界面电荷，甚至引起极性反转。图 12j 总结叶片 DEG 的发电机制，图 12k 对比多种植物叶片的输出差异。除天然叶片外，人工纤维素 DEG 也开始通过疏水化和介电增强获得更高性能，例如疏水剑麻纤维素纸器件可实现最高约 16 V 开路电压和 8.2 mW m⁻2 峰值功率密度，并可根据输出识别雨滴速度。

图12. 纤维素基 DEG。a 叶片连接外电路后的截面与等效电路；b 水滴撞击壳菜果叶片产生的开路电压；c 短路电流；d 植物叶片 DEG 示意图；e 两种叶片的输出特征；f、g 活体叶片表面细胞结构；h、i 海芋叶片 DEG 在不同离子浓度和 pH 下的输出电流；j 叶片液滴发电机制；k 不同植物叶片的输出对比。

IX 纤维素水伏发电的器件集成与应用

9.1 作为可持续微型电源

单个纤维素水伏单元的输出通常处于亚伏至伏特范围，可通过串联提高电压、并联提高电流，并配合电容器或电池进行能量管理。图 13a 概括了水伏器件从环境水分中获取能量并为外部负载供电的基本模式。图 13b 展示阵列化模块为电池充电；图 13c 中，纤维素/CNT 织物利用汗液和蒸发过程直接驱动柔性基底上的数字计算器，说明可穿戴环境中的人体汗液既是工作介质，也可提供持续水分梯度。

图 13d 展示多层堆叠和串并联集成策略，通过改变单元数量可依次驱动计算器、LED、蓄电模块并对手机进行间歇充电。图 13e 将棉基 HEG 与 pH、硬度和电导率传感器及无线通信模块集成，三个串联单元即可支持水质数据实时采集并传输至智能手机。图 13f 将透明、透湿的 CNF/聚离子液体离子凝胶用于智能窗，利用室内外湿度差持续发电。图 13g 则提出面向造纸厂等场景的生物质回收与渗透能协同系统，利用黑液、海水等工业/自然盐度梯度实现大尺度能源回收。

图13. 纤维素水伏发电作为电源的应用。a 基本供能模式；b 阵列化模块为电池充电；c 汗液驱动的柔性器件直接为计算器供电；d 多单元集成实现规模化输出；e 与传感模块集成并向手机无线传输环境数据；f 利用室内外湿度差的智能窗；g 与大规模生物质循环和发电系统集成。

9.2 自供能健康监测与预警系统

纤维素柔软、轻质、透气且具有生物相容性，适合与皮肤、口罩和织物贴合。图 14a 所示呼吸传感器利用吸气与呼气造成的周期性湿度变化产生特征电压波形，可区分慢速、正常和快速呼吸，为睡眠呼吸暂停筛查、运动强度评估和呼吸疾病监测提供无需电池的信号来源。图 14b 的水刺激响应物理传感器可感知汗液、局部湿度和关节运动引起的水分重新分布，手指弯曲/伸展或跑步强度变化均会产生不同输出。

图 14c 将吸湿纤维素元件布置于管道或设备附近，发生漏水时，毛细吸水和离子迁移立即触发电信号并驱动指示灯或无线发射器，实现“以泄漏水本身供能”的免维护报警。图 14d 为自供能智能包装：当食品或药品在运输中经历异常高温时，MEG 输出可触发聚合物分散液晶膜由不透明转为透明，显露“Do not Eat”等警示信息，并可联动 LED 进行持续提醒。

图 14e 将纤维素 HEG 埋入土壤、边坡或地下隧道。当降雨或地下水渗漏使含水量和离子浓度超过阈值时，器件输出升高并自动激活无线预警模块；干燥状态下系统保持休眠，无需长期外部供电。该模式为洪水、堤坝渗漏和滑坡等地质灾害的长期分布式监测提供了低成本、自维持的技术路径。

图14. 纤维素水伏发电在健康监测和预警中的应用。a 自供能呼吸传感器；b 水刺激响应的自供能物理传感器；c 漏水检测与报警系统；d 食品新鲜度/冷链状态监测智能包装；e 地质渗水的早期预警与预测。

X 综合性能比较、关键挑战与未来方向

图 15a 对不同生物高分子 HEG 进行比较。纤维素器件覆盖的电压和电流密度范围最广且较为均衡，报道数量也最多；其输出电压最高约 1.15 V，电流密度最高约 24,100 μA cm⁻2。海藻酸盐器件总体处于中等水平；壳聚糖和丝蛋白体系的电压相对较低，但部分器件可获得很高电流密度，其中丝蛋白体系的峰值电流密度可达 124,000 μA cm⁻2。

图 15b 将纤维素、其他生物聚合物、碳材料和合成聚合物进行横向比较。合成聚合物往往具有较高电压范围，但电流输出相对受限；碳材料可获得较高电流，却在环境友好性和可降解性方面存在不足。图 15c 的雷达图同时考虑电压、电流密度、可加工性、环境友好性和成本，显示纤维素在综合指标上具有突出均衡性，并适用于水相、低温加工以及薄膜、纤维、气凝胶和多孔膜等多种形态。图 15d 表明，OEG 通常表现出更高电流密度但电压偏低，MEG 和 EEG 的电压更高、覆盖范围更广，而 DEG 数据量仍不足以建立可靠统计趋势。

作者指出，纤维素水伏发电仍面临六项关键挑战：第一，经典 EDL 和 Debye 长度模型难以描述水合膨胀、孔道动态变化和非均匀电荷分布；第二，多种机制往往同时发生，例如湿度梯度伴随局部蒸发和流动电势，尚缺乏定量解耦方法与理论效率上限；第三，大面积制备时膜厚、离子分布和湿度梯度难以保持均一，批次重现性不足；第四，长期高湿会引发膨胀、脱层、结构坍塌、霉变和官能团流失；第五，导电填料、离子液体和功能聚合物可能带来界面失配、泄漏和生物毒性；第六，Al、Zn、Cu 等非惰性电极可能发生法拉第反应，使“真实水伏输出”与电池型贡献难以区分，且面积、厚度和功率归一化方式尚未统一。

未来研究可从五个方向推进：利用机器学习和多尺度模拟预测最佳官能团、孔径和层级结构；发展可反复弯折、贴肤和透气的多层可穿戴器件；与摩擦电、光伏和热电系统构建阻抗匹配的多模态能量采集平台；在研发早期引入生命周期评价(LCA)与技术经济分析(TEA)；结合卷对卷涂布、喷墨打印、冷冻铸造和数字化质量控制，实现低成本、可重复制备。纤维素水伏发电的真正价值不只是“用水发电”，而是将可再生生物质、界面离子学和自供能电子系统连接起来。

图15. 纤维素水伏发电的综合比较。a 不同生物高分子 HEG 的电学性能分布；b 纤维素、其他生物聚合物、碳材料和合成聚合物的性能比较；c 基于电压、电流密度、可加工性、环境友好性和成本的雷达图；d MEG、EEG、OEG 和 DEG 四类纤维素器件的电学性能比较。

XI 总结与展望

该综述从分子、材料、界面和器件多个尺度构建了纤维素水伏发电的系统知识框架。纤维素并非仅作为廉价、可降解的支撑体存在，其羟基化学、可调表面电荷、氢键网络和多尺度孔道直接参与水吸附、离子解离、电双层形成、质子传输和流动电势产生。通过化学交联、离子化、梯度结构、复合填料和多层器件设计，纤维素体系已能够在较宽环境条件下获得具有竞争力的电压和电流，并完成从单元发电到电源、传感和预警系统的功能跨越。

与此同时，材料的亲水性也带来稳定性悖论：吸水越充分，离子迁移通常越容易，但过度水合又会破坏孔道和界面。未来需要以原位表征和多尺度理论模型揭示水合过程中结构、电荷和氢键网络的动态演化，并在测试标准、惰性电极、器件尺寸和寿命评价上建立统一规范。只有将电学性能、加工重现性和全生命周期环境效益共同纳入设计，纤维素水伏发电才可能由实验室概念真正发展为可规模部署的低碳自供能技术。

作者简介

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc.)，包括微纳米材料与结构的合成、表征、性能及其在能源、催化、环境、传感、人工智能、电磁波吸收与屏蔽、健康监测、生物医药等领域的应用研究及高水平综述。期刊已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2025 JCR IF=38.5，学科排名Q1区前1.5%。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

期刊网址: https://springer.com/40820

投稿网址：https://mc03.manuscriptcentral.com/nmlett

E-mail: editorial_office@nmlett.org

Tel: 86-21-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 韩国延世大学Ceolmin Park等综述：纤维素基水伏发电—从分子材料到器件集成