广西大学徐传辉等: 仿植物蒸腾系统的生物基柔性太阳能驱动可持续发电机

研究背景

全球能源危机与电力短缺问题日益严峻，开发可持续、清洁的能源转换技术势在必行。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，已成为解决能源问题的重要方向。近年来，太阳能蒸发器与发电的结合展示了太阳能驱动水蒸发技术实现可持续发电的潜力。然而，发电装置的水蒸发率低和其集成系统通常由复杂且缺乏弹性的独立模块组装而成，这不仅损害了太阳能蒸发和发电效率，也缺乏满足复杂应用条件的灵活性。此外，由于实际应用中的扭转、撕裂、摩擦和压缩，太阳能发电设备不可避免地容易受到机械损伤，这大大缩短了设备的使用寿命并影响了功能可靠性。因此，如何实现优异水蒸发率-输出电压-柔韧性-光热自愈合一体化集成依然是延长装置寿命和缓解能源危机的关键挑战。

Bio‑Based Flexible Solar‑Driven Sustainable Generator with Efficient Electricity Generation Enabled by Plant Transpiration System

Lingli Kong, Junjie Lu, Tianwen Luo, Bai Huang, Lihua Fu, Baofeng Lin, Chuanhui Xu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 114

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01960-5

本文亮点

1. 仿生设计，性能集成：基于植物蒸腾原理设计的生物基太阳能驱动离子发电设备，通过各组分的工程协同实现优异的蒸发速率-输出电压-柔韧性-光热自愈合的一体化集成。

2. 界面效应，增强传输：真黑素与ENR基质之间优异的界面兼容性促进了空间电荷层的形成，显著增强了Li⁺的迁移能力，从而实现5.11 × 10⁻2 S m⁻1的高导电率和0.47 V的输出电压。

3. 定点光热，精准愈合：通过ENR分子链优异的运动能力，结合真黑色素的光热转化能力，实现材料损伤区域的定点光热自愈合，同时避免加热整个样品，自愈合效率高达99.6%。

内容简介

针对当前太阳能发电器件水蒸发效率受限、柔韧性差、缺乏光热自愈合等瓶颈，广西大学徐传辉教授团队受植物蒸腾过程启发，设计了一种基于环氧天然橡胶、纤维素纳米纤维、双三氟甲磺酰亚胺锂和真黑素的生物基离子导电弹性体(ECLE)。具有吸湿性和丰富极性基团的纤维素纳米纤维在基质中构建吸水网络，提供水分蒸发和离子传输通道;而具有强光吸收能力的真黑素通过光热转换提供能量，用于水蒸发、离子传输和光热自愈合。值得注意的是，真黑素与基质之间的优异界面兼容性促进了空间电荷层的形成，显著增强了Li⁺的迁移能力。这些组分的工程协同使ECLE拥有类似“植物蒸腾”的系统和卓越的多功能特性，包括优异的拉伸性(1072%)、韧性(22.7 MJ m⁻3)、蒸发率(2.83 kg m⁻2 h⁻1)、输出电压(0.47 V)和导电率(5.11 × 10⁻2 S m⁻1)。值得注意的是，该薄膜即使在盐碱环境下也展现出卓越的光热自愈性能，输出电压愈合效率达到99.6%。在实际应用中，单个ECLE器件在自然阳光下可实现0.48 V输出电压。通过简单串联，三个器件即可输出1.25 V电压，并成功驱动电子钟运行。

图文导读

I 设计理念：植物蒸腾作用启发的“蒸发系统”

如图1和2所示，ECLE的仿生设计灵感来源于植物蒸腾作用。从墨鱼墨囊中提取的平均直径为140.7±13纳米的真黑素具有优异的光热转化效率，用于模拟叶片的光热转换。具有优异吸湿性的纤维素纳米纤维模在ECLE内形成吸水网络，促进水分/离子运输，模拟植物根系和茎的作用。ENR矩阵为实际应用提供了必要的灵活性。三者通过氢键、离子键等非共价相互作用协同，形成了稳定、高弹、离子导电的网络结构和太阳能驱动蒸发系统。此外，该网络结构具有优异的热稳定性和分子链在宽温度范围内保持了优异的迁移能力。

图1. ECLE的结构设计及其性能与应用。

图2. ECLE的结构相互作用和稳定性。

II 机械和光热自愈合性能：动态网络和功能填料的协同作用

根据分子动力学模拟和基础表征结果说明真黑素在纤维素纳米纤维的辅助下均匀分散于ENR/CNFs网络中，形成了稳定的物理交联。动态交联网络和填料增强效应使材料兼具高拉伸性(>1000%)、韧性(23.13 MJ m⁻3)和拉伸强度(8.28 MPa)。此外，得益于真黑色素的优异光热转换能力，ECLE在近红外激光照射下，材料表面温度可快速升高至107.9°C，并展现出优异的光热循环稳定性与功率线性可控性。同时，非共价相互作用的可逆特性和光热转化性能之间的协同作用赋予ECLE精准聚焦损伤区域，实现定点光热自愈合。基于应力的自愈合效率高达95%。

图3. 真黑色素的分布和ECLE的机械性能。

图4. ECLE的光热性能和光热自愈合。

III 界面效应：增强Li⁺传输

真黑素表面极性基团的丰富性促进了对ENR基质的强韧界面粘附。这种连续的真黑素/ENR界面相可以形成空间电荷区，促进两相之间的Li⁺输运。随真黑素含量增加，离子电导率最高可达5.11×10⁻2 S m⁻1，Li⁺迁移数提升至7.4×10⁻3。此外，光热效应可进一步促进分子链运动，使电导率在激光照射下提升至0.121 S m⁻1。激光功率与ECLE的Δσ表现出强烈的线性拟合关系，显示出ECLE电导率具有优异精准可控性。高电导率和优异蒸腾效应的协同集成有望在太阳能驱动离子发电过程中实现出色的输出电压。

图5. ECLE的导电特性和Li⁺迁移数。

IV 应用潜力：太阳能驱动离子发电和机制

基于其低热导率、高吸湿性和高效光热转换的协同优势，ECLE实现高效的太阳能驱动水蒸发，其水分蒸发率可达2.83 kg m⁻2 h⁻1。根据ECLE的蒸腾效应设计了一种太阳能驱动的离子发电装置。得益于优异的水分蒸发率和离子导电率，ECLE在0.15 W cm⁻2的红外激光辐照下可实现0.47 V的输出电压。更重要的是，ECLE不仅具有优异的循环可重复性，而且还具有长期输出的稳定。有趣的是，受损的ECLE在0.1 wt% NaCl溶液中自愈后仍能恢复输出电压至0.468 V，自愈效率高达99.6%。ECLE表现出卓越的输出电压和光热自愈能力，这对于延长太阳能驱动离子发电装置的使用寿命，维持稳定输出至关重要。与此前报道的太阳能驱动蒸汽发电设备相比，ECLE在综合性能上更为出色，尤其是其优异的灵活性和光热自愈能力。

图6. ECLE的发电特性。

ECLE凭借蒸腾效应，在太阳能驱动离子发电方面表现出色。高吸湿性的CNF吸水为太阳能驱动离子发电过程中的水输送提供通道。吸收的水驱动离子在CNF通道中的定向迁移。然后，均匀分布的真黑素吸收光线并将其转化为稳定的热能，为水蒸发和离子运输提供稳定的热输出。根据Soret效应，太阳能驱动离子发电的机制是蒸腾效应导致离子和水在ECLE膜中呈梯度分布，产生电位梯度。这一点已经通过KPFM和EDS表征得到证实。

图7. ECLE的发电机制。

该装置被放置在自然光环境中,其表面温度可迅速上升到55.2°C，并输出0.48V电压。通过简单串联，三个ECLE器件即可输出1.25 V电压。这展示了ECLE在实际发电应用中的可扩展性。同时，在没有任何额外元件的情况下，使用两个ECLE设备成功点亮了时钟，显示了其直接为设备供电的实际应用价值。此外，基于塞贝克效应，ECLE可以通过集成散热器和商用塞贝克热电发电机来制造热电发电机系统。装置在0.8 W cm⁻2红外光照射下的输出电压高达1.3 V，展现了ECLE在多场景能量收集与供电中的应用潜力。

图8. ECLE的实际环境发电特性和扩展应用。

V 总结

本研究开发了一种多功能生物基离子导电弹性体，其具有类似“植物蒸腾”的系统，用于光热电发电和太阳能驱动的离子发电。各组分之间的工程协同作用使ECLE同时具有光热转换能力、光热自愈(95%的愈合效率)、拉伸性(1072%)和韧性(22.7 MJ m⁻3)等综合优势。基于分子链运动和空间电荷效应的结合，ECLE的电导率高达5.11 × 10⁻2 S m⁻1。得益于ECLE的低导热性、高吸湿性和光热转换能力，在太阳能驱动的离子发电过程中可以实现优异的蒸腾效应。ECLE具有出色的蒸发率(2.83 kg m⁻2 h⁻1)和输出电压(0.47 V)。有趣的是，ECLE在盐溶液中仍然表现出优异的光热自愈性。输出电压的恢复效率可达99.6%。同时，通过利用ECLE的可扩展性，可以在室外环境中实现可持续发电，而无需任何其他辅助设备。此外，ECLE在光热电发电中也表现出优异的输出电压。总而言之，这项工作为开发高效、灵活、光热自愈和可扩展的可持续绿色发电系统提供了新思路。

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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与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。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。

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