木材改良濕氣發電機的設計及性能研究

荊明星 楊宇 付依揚 孫壯志

摘 要：為解決濕氣發電領域器件的實際應用受限于復雜的制備工藝和高昂的材料成本問題，通過簡單的改良工藝開發一種環保、低成本的木材基濕氣發電機（W-MEG）。利用2.5%的亞氯酸鈉（NaClO）溶液對木材進行去木質素處理，使其天然的輸水通道保持暢通；制備具有優異吸濕能力和離子擴散能力的海藻酸鈉/還原氧化石墨烯（SA/rGO）水凝膠，并將其涂覆到木材表面；為進一步提高所制備的W-MEG的發電性能，通過調整減壓浸漬工藝的時間來控制水凝膠浸入木材內部通道的程度，形成上多下少的不對稱結構，擴大離子濃度分布?；诖朔N不對稱結構，利用木材天然的定向水分傳輸特性和離子擴散效應， W-MEG單元可以在80%相對濕度（RH）下產生220 mV的開路電壓和0.28 μA的短路電流，并且在35%～95%的RH范圍內都有電能輸出。通過集成多個W-MEG單元，可作為驅動LED等微型商業設備的高效電源，具有實際應用的潛力。此研究為簡單、低廉高效的濕氣能源收集器件提供了新的見解，并使木材的創新利用技術成為可能。

關鍵詞：木材；濕氣收集；不對稱結構；離子擴散；發電

中圖分類號：S776.05 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）06-0109-07

Design and Performance Study of Wood-based Moist-electric Generator

JING Mingxing， YANG Yu， FU Yiyang， SUN Zhuangzhi

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：To solve the problem that practical applications of devices in the field of moisture generation are limited by complex preparation processes and high material costs， we developed an environmentally friendly， low-cost wood-based moisture generator （W-MEG） by a simple modified process. Firstly， the wood was delignified using a 2.5% sodium chlorite （NaClO） solution to keep its natural water transport channels open. Secondly， we prepared sodium alginate/reduced graphene oxide （SA/rGO） hydrogels with excellent moisture absorption and ion diffusion ability and coated them onto the wood surface. Finally， to further improve the power generation performance of the prepared W-MEG， the degree of hydrogel immersion into the internal channels of the wood was controlled by adjusting the time of the reduced pressure impregnation process to form an asymmetric structure with more top and less bottom， which further expanded the ion concentration distribution. Based on this asymmetrical structure， taking advantage of wood's natural directional water transport properties and ion diffusion effects， our W-MEG can generate an open-circuit voltage of 220 mV and a short-circuit current of 0.28 μA at 80% relative humidity （RH）， with a power output in the RH range of 35%-95%. In addition， by integrating multiple W-MEG units， it can be used as an efficient power source to drive miniature commercial devices such as LEDs， which has the potential for practical applications. This study provides new insights into simple， inexpensive and efficient moisture energy harvesting devices and enables novel technologies for the utilization of wood.

Keywords：Wood; moisture collection; asymmetric structure; ion diffusion; electricity generation

收稿日期：2023-04-10

基金項目：國家自然科學基金項目（51905085/52175266）。

第一作者簡介：荊明星，博士研究生。研究方向為木材濕氣發電與傳感。E-mail： jmxing1996@163.com

*通信作者：孫壯志，博士，教授。研究方向為木材表面仿生改良與自然環境資源收集利用。E-mail： sunzhuangzhi@nefu.edu.cn

引文格式：荊明星，楊宇，付依揚，等. 木材改良濕氣發電機的設計及性能研究[J]. 森林工程， 2023，39（6）：109-115.

JING M X， YANG Y， FU Y Y， et al. Design and performance study of wood-based moist-electric generator[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6）：109-115.

0 引言

我國東北地區森林資源豐富，為國家經濟和能源發展發揮著巨大的作用。木材作為一種來源豐富的可再生材料，廣泛應用于建筑、家具和燃料等人類生活已有數千年，與人類的可持續發展有著密不可分的聯系。近年來，為響應國家減少碳排放、緩解能源危機的號召，得益于綠色、低成本和來源豐富等特點，各種木材基功能材料被應用于新能源領域，包括“碳化木材”用于海水淡化、“木炭海綿”用于應變傳感、“降溫木材”用于輻射制冷等，木材的新型利用技術引起了研究者們的廣泛興趣與關注。

除此之外，濕氣發電機（MEG）作為一種新興的綠色能源技術，能夠將濕氣中蘊含的能量轉換為電能，以供后續設備的使用。一個典型的濕氣發電機往往基于離子擴散機理，當具有含氧基團（羥基OH、羧基COOH、磺基SOH等）的材料與水分子發生不均勻接觸時會自動解離出自由質子，產生質子濃度不同的區域。在水流的驅動下，自由質子從高濃度的區域擴散至低濃度的區域，在此過程中便會產生電位差。基于此種機制，Lü等通過靜電紡絲與退火工藝制備了一種多孔乙酸纖維素膜用來在潮濕環境中誘導發電，達到了0.3 V的可持續電壓輸出。Li等通過液體剝離和超分子組裝技術合成了一種氣凝膠型濕氣發電機，在99%的相對濕度環境中獲得了100 mV的最大發電量。如前所述，盡管濕氣發電機的研究取得了一定的進展，卻忽略了復雜的制備過程且面臨著高昂的材料成本，引進的功能材料同樣存在著環境污染等問題。因此，選用低成本、可降解的材料來制備一種環保的濕氣發電機便顯得尤為重要。

天然木材作為一種分布廣泛的綠色、可再生資源，其內部豐富的多孔通道能為木材的生長輸送充足的水分和營養物質，十分適合作為濕氣發電過程中的水分傳輸載體。另外，木材已被證明具有能量存儲和離子傳輸等方面的潛力，但卻很少被用于濕氣發電的研究。在這里，通過綜合考慮材料特性與發電機理，本研究提出了一種基于巴沙木的濕氣發電機（W-MEG），利用木材天然纖維通道加速水分和離子的傳輸。同時，為進一步擴大離子濃度梯度，通過在木材上半部分浸漬海藻酸鈉（SA）/還原氧化石墨烯（rGO）的混合水凝膠，建立了一種不對稱結構，并封裝網格電極，只允許離子解離發生在W-MEG的上半部分。經過測試發現，單個W-MEG在80%的濕度環境中便可產生220 mV的持續穩定開路電壓和0.28 μA的短路電流，并顯示出在35%～95%的大范圍濕度環境中運行的發電潛力。本研究為開發結構簡單、低成本和環保的濕氣發電裝置提供了借鑒，同時為木材在新能源領域的應用拓展了思路。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

巴沙木（50 mm×50 mm×8 mm），購于廣州市奇高輕木貿易有限公司；亞氯酸鈉（NaClO）、冰乙酸（CHCOOH）和海藻酸鈉（SA， CHNaO）均為分析純或化學純，購于哈爾濱市永昌化玻儀器經銷站；還原氧化石墨烯（rGO）水溶液購于北京博宇高科新材料技術有限公司。

1.2 木材的去木質素預處理

首先配制2.5%的亞氯酸鈉溶液，并用冰乙酸調整pH＜4，將巴沙木置于溶液中用加熱臺加熱至70 ℃保持8 h。觀察到巴沙木由黃色變為白色時停止加熱，用去離子水清洗多次以去除溶液雜質。最后放入冷凍干燥機（SCIENTZ-10N）中干燥8 h，得到預處理后的木材。

1.3 W-MEG的制備工藝

將2 g海藻酸鈉和8 mL的還原氧化石墨烯水分散液加入到40 mL的冰乙酸溶液（1 mol/L）中，置于磁力攪拌器上水浴加熱至60 ℃并保持7 h，制成混合水凝膠。待其充分冷卻后涂覆于預處理后的巴沙木表面，之后置于真空干燥箱中10 h，利用減壓浸漬工藝以及毛細吸力和重力作用將水凝膠浸入木材內部通道，形成水凝膠上多下少的不對稱結構，并進行干燥處理。

1.4 W-MEG的表征分析

通過掃描電子顯微鏡（JSN-7500F）對所制備濕氣發電機的表面和內部的微觀結構進行了表征。利用紅外光譜儀（Nicolet iS50）對濕氣發電機的傅里葉紅外變換光譜（FT-IR）進行了測試分析，測試范圍為在4 000～500 cm。

1.5 W-MEG的發電性能測試

將W-MEG置于自制的亞克力箱體中，通過流量計控制進氣口的濕氣量以此營造不同的相對濕度（RH）環境，利用Keithley 6514靜電計和鉑電極分別連接W-MEG的上層網格電極和下層封閉電極，借此測試某一相對濕度下的電壓與電流輸出。另外，箱體內的相對濕度由濕度計（UT 333S）實時監測。

2 結果與分析

2.1 W-MEG的結構

本研究所制備的W-MEG由水凝膠分布不對稱的木材和一對柔性電極組成，圖1為不對稱水凝膠木材具體的制備過程。在制備前，對巴沙木進行去木質素處理，以保證其木材纖維通道暢通，減小水分子和離子傳輸阻力。然后利用減壓浸漬工藝將SA/rGO水凝膠浸入到木材纖維通道內部，通過合理控制浸漬時間以完成水凝膠在木材上的不對稱分布。圖2為W-MEG的具體結構，其頂部網格結構的開放電極允許W-MEG直接吸收濕氣中的水分，而底部封閉電極則阻止與濕氣接觸。這樣的電極安裝設計便與水凝膠的不對稱分布（圖2放大圖）相應，上半部分濃度高的水凝膠優先吸收水分，造成更大的離子濃度差，以此驅動更多的離子擴散進行發電。圖2進一步展示了W-MEG中水凝膠的成分，海藻酸鈉作為一種多糖類生物高分子，其優異的親水性和膠凝性已被多次證明具有吸濕、發電等方面的潛力。在與水分子接觸的過程中，海藻酸鈉可快速解離出Na，并在濃度差的驅動下發生擴散。另外，還原氧化石墨烯被應用到此W-MEG的設計中，用于調節器件整體的電阻和增強導電性。

2.2 表征分析

為進一步證明制備的W-MEG具有不對稱結構，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對水凝膠浸漬前后木材表面和內部的微觀結構進行了表征分析。水凝膠浸漬前后木材表面的電鏡圖像如圖3（a）所示，圖中左半部分清晰地為木材脫木質素后表面豐富的多孔結構。右半部分為水凝膠浸漬后的微觀圖像，幾乎所有的木材孔洞都被水凝膠覆蓋，進一步增大了與濕氣的接觸面積，更有利于對水分的吸收。圖3（b）為木材內部在水凝膠浸漬前后的結構特征對比，左半部分清晰可見木材內部緊密排列的纖維通道，這為水分和離子的傳輸提供了途徑。從右半部分的電鏡圖像可以看到，水凝膠僅存在于木材通道的上半部分，這成功地證明了所設計W-MEG具有的不對稱結構。另外，圖3（c）為傅里葉變換紅外光譜（FT-IR），顯示出W-MEG的上下部分具有不同的官能團特征吸收峰，也證實了不對稱結構的成功構建。綜上所述，這種所設計的不對稱結構有利于擴大離子的濃度差，從而有效地驅動離子擴散，顯示出改善W-MEG電輸出性能的潛力。

2.3 發電性能

由于合理設計的不對稱結構，擴大的離子濃度梯度使W-MEG具有優異的電輸出性能。在發電性能測試實驗中，W-MEG被放置在一個自制的亞克力箱體中，并不斷通入濕氣，用于自發吸附水分子，如圖4所示。由圖4（a）和4（b）可知，W-MEG具有高達220 mV的開路電壓和0.28 μA的短路電流，且能夠在2 000 s的長時間范圍內保持穩定，這是由于構建的不對稱結構和rGO的加入分別擴大了離子濃度梯度和減小了器件電阻（188.87 kΩ）。為了檢測W-MEG在搭載不同負載時的功率輸出，通過外聯不同阻值的電阻并實時監測電壓和電流的變化。由圖4（c）可知，當負載電阻值為0.8 MΩ時，獲得了0.022 μW/cm的最大輸出功率密度。所制備的W-MEG可以在不同的濕度環境下工作，展示出實際應用的廣泛性。當暴露在不同的濕氣環境中時，W-MEG可以很輕松地捕獲水分，由圖4（d）可知，隨著相對濕度的增加，吸濕量在不斷增加，這也間接地說明了水在發電過程中發揮著至關重要的作用。由圖4（e）可知，W-MEG的輸出電壓隨著RH的增大而增大，在RH為80%時最大值為220 mV。即使在35%的低RH環境中，W-MEG仍然可以產生78.5 mV的電壓。不同于電壓，W-MEG的輸出電流強烈依賴于RH的大小，由圖4（f）可知，在95%的RH環境下擁有0.32 μA的最大電流輸出。這表明由于水的吸附，W-MEG的電阻隨著RH的增加而減小，導致離子的擴散阻力減弱，因此電流輸出也增大。

2.4 發電原理

為進一步揭示W-MEG的發電機理，以及不對稱結構對其發電性能的影響，建立了發電過程模型圖，如圖5所示。圖5（a）為W-MEG的初始狀態，具有上方水凝膠多而下方少的不對稱結構，頂部的開放電極允許與濕氣直接接觸。圖5（b）為濕氣的吸收過程，當W-MEG暴露在濕氣環境中時，上方水凝膠中的海藻酸鈉便會捕獲水分子，造成設備中的水分子從上到下增加。圖5（c）表示隨著吸濕時間的增長，上方水凝膠中的海藻酸鈉便會發生Na解離，形成上多下少的離子濃度梯度。圖5（d）表示Na由濃度高的區域擴散至濃度低的區域，發生電荷的不對稱分布，便會產生電壓或電流。

2.5 應用

在實際應用中，可以通過串聯或者并聯多個W-MEG單元達到提高整體電能輸出的目的。圖6（a）為串聯5個W-MEG單元時的電壓和電流輸出，可以清晰地看到開路電壓呈線性增加，由0.22 mV增加到1.08 mV，短路電流保持穩定。圖6（b）為5個W-MEG單元并聯時的電壓和電流輸出，短路電流最高可達1.52 μA，幾乎呈倍數增加，開路電壓維持在0.22 mV左右并保持穩定。此外，基于不對稱結構的W-MEG可以與儲能單元相結合，將濕氣中的水分蘊含的能量轉化為實際應用中的電能。由圖6（c）可知，使用2個W-MEG單元串聯可以對一個電容器（220 μF）進行充電，電容電壓在900 s內可由0 mV上升至0.4 mV，顯示出較快的充電速度。依次將充滿電的5個電容器串聯，足以點亮一個紅色的LED，顯示出所制備的W-MEG具有實際應用的潛力。

3 結論

綜上所述，為擴大木材的多功能利用范圍，開發了一種基于天然木材與水凝膠不對稱結構的W-MEG。單個W-MEG可產生220 mV的開路電壓和0.28 μA的短路電流，最大輸出功率密度可達0.022 μW/cm。W-MEG基于定向水分傳輸和離子擴散效應，在35%～95%的大范圍濕度環境中都有電壓或電流輸出，具有較強的環境適應能力。此外，通過串聯或并聯集成多個W-MEG單元，將放大的電壓或電流儲存于電容器等儲能設備，可直接為LED等微型商業電子設備供電。因此，W-MEG為新一代能源收集設備的設計提供了新的思路，同時開辟了一種木材功能增值利用方式。

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