木材改良湿气发电机的设计及性能研究

荆明星 杨宇 付依扬 孙壮志

摘 要：为解决湿气发电领域器件的实际应用受限于复杂的制备工艺和高昂的材料成本问题，通过简单的改良工艺开发一种环保、低成本的木材基湿气发电机（W-MEG）。利用2.5%的亚氯酸钠（NaClO）溶液对木材进行去木质素处理，使其天然的输水通道保持畅通；制备具有优异吸湿能力和离子扩散能力的海藻酸钠/还原氧化石墨烯（SA/rGO）水凝胶，并将其涂覆到木材表面；为进一步提高所制备的W-MEG的发电性能，通过调整減压浸渍工艺的时间来控制水凝胶浸入木材内部通道的程度，形成上多下少的不对称结构，扩大离子浓度分布。基于此种不对称结构，利用木材天然的定向水分传输特性和离子扩散效应， W-MEG单元可以在80%相对湿度（RH）下产生220 mV的开路电压和0.28 μA的短路电流，并且在35%～95%的RH范围内都有电能输出。通过集成多个W-MEG单元，可作为驱动LED等微型商业设备的高效电源，具有实际应用的潜力。此研究为简单、低廉高效的湿气能源收集器件提供了新的见解，并使木材的创新利用技术成为可能。

关键词：木材；湿气收集；不对称结构；离子扩散；发电

中图分类号：S776.05 文献标识码：A 文章编号：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

基金项目：国家自然科学基金项目（51905085/52175266）。

第一作者简介：荆明星，博士研究生。研究方向为木材湿气发电与传感。E-mail： jmxing1996@163.com

*通信作者：孙壮志，博士，教授。研究方向为木材表面仿生改良与自然环境资源收集利用。E-mail： sunzhuangzhi@nefu.edu.cn

引文格式：荆明星，杨宇，付依扬，等. 木材改良湿气发电机的设计及性能研究[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

我国东北地区森林资源丰富，为国家经济和能源发展发挥着巨大的作用。木材作为一种来源丰富的可再生材料，广泛应用于建筑、家具和燃料等人类生活已有数千年，与人类的可持续发展有着密不可分的联系。近年来，为响应国家减少碳排放、缓解能源危机的号召，得益于绿色、低成本和来源丰富等特点，各种木材基功能材料被应用于新能源领域，包括“碳化木材”用于海水淡化、“木炭海绵”用于应变传感、“降温木材”用于辐射制冷等，木材的新型利用技术引起了研究者们的广泛兴趣与关注。

除此之外，湿气发电机（MEG）作为一种新兴的绿色能源技术，能够将湿气中蕴含的能量转换为电能，以供后续设备的使用。一个典型的湿气发电机往往基于离子扩散机理，当具有含氧基团（羟基OH、羧基COOH、磺基SOH等）的材料与水分子发生不均匀接触时会自动解离出自由质子，产生质子浓度不同的区域。在水流的驱动下，自由质子从高浓度的区域扩散至低浓度的区域，在此过程中便会产生电位差。基于此种机制，LÜ等通过静电纺丝与退火工艺制备了一种多孔乙酸纤维素膜用来在潮湿环境中诱导发电，达到了0.3 V的可持续电压输出。Li等通过液体剥离和超分子组装技術合成了一种气凝胶型湿气发电机，在99%的相对湿度环境中获得了100 mV的最大发电量。如前所述，尽管湿气发电机的研究取得了一定的进展，却忽略了复杂的制备过程且面临着高昂的材料成本，引进的功能材料同样存在着环境污染等问题。因此，选用低成本、可降解的材料来制备一种环保的湿气发电机便显得尤为重要。

天然木材作为一种分布广泛的绿色、可再生资源，其内部丰富的多孔通道能为木材的生长输送充足的水分和营养物质，十分适合作为湿气发电过程中的水分传输载体。另外，木材已被证明具有能量存储和离子传输等方面的潜力，但却很少被用于湿气发电的研究。在这里，通过综合考虑材料特性与发电机理，本研究提出了一种基于巴沙木的湿气发电机（W-MEG），利用木材天然纤维通道加速水分和离子的传输。同时，为进一步扩大离子浓度梯度，通过在木材上半部分浸渍海藻酸钠（SA）/还原氧化石墨烯（rGO）的混合水凝胶，建立了一种不对称结构，并封装网格电极，只允许离子解离发生在W-MEG的上半部分。经过测试发现，单个W-MEG在80%的湿度环境中便可产生220 mV的持续稳定开路电压和0.28 μA的短路电流，并显示出在35%～95%的大范围湿度环境中运行的发电潜力。本研究为开发结构简单、低成本和环保的湿气发电装置提供了借鉴，同时为木材在新能源领域的应用拓展了思路。

1 材料与方法

1.1 实验材料

巴沙木（50 mm×50 mm×8 mm），购于广州市奇高轻木贸易有限公司；亚氯酸钠（NaClO）、冰乙酸（CHCOOH）和海藻酸钠（SA， CHNaO）均为分析纯或化学纯，购于哈尔滨市永昌化玻仪器经销站；还原氧化石墨烯（rGO）水溶液购于北京博宇高科新材料技术有限公司。

1.2 木材的去木质素预处理

首先配制2.5%的亚氯酸钠溶液，并用冰乙酸调整pH＜4，将巴沙木置于溶液中用加热台加热至70 ℃保持8 h。观察到巴沙木由黄色变为白色时停止加热，用去离子水清洗多次以去除溶液杂质。最后放入冷冻干燥机（SCIENTZ-10N）中干燥8 h，得到预处理后的木材。

1.3 W-MEG的制备工艺

将2 g海藻酸钠和8 mL的还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，置于磁力搅拌器上水浴加热至60 ℃并保持7 h，制成混合水凝胶。待其充分冷却后涂覆于预处理后的巴沙木表面，之后置于真空干燥箱中10 h，利用减压浸渍工艺以及毛细吸力和重力作用将水凝胶浸入木材内部通道，形成水凝胶上多下少的不对称结构，并进行干燥处理。

1.4 W-MEG的表征分析

通过扫描电子显微镜（JSN-7500F）对所制备湿气发电机的表面和内部的微观结构进行了表征。利用红外光谱仪（Nicolet iS50）对湿气发电机的傅里叶红外变换光谱（FT-IR）进行了测试分析，测试范围为在4 000～500 cm。

1.5 W-MEG的发电性能测试

将W-MEG置于自制的亚克力箱体中，通过流量计控制进气口的湿气量以此营造不同的相对湿度（RH）环境，利用Keithley 6514静电计和铂电极分别连接W-MEG的上层网格电极和下层封闭电极，借此测试某一相对湿度下的电压与电流输出。另外，箱体内的相对湿度由湿度计（UT 333S）实时监测。

2 结果与分析

2.1 W-MEG的结构

本研究所制备的W-MEG由水凝胶分布不对称的木材和一对柔性电极组成，图1为不对称水凝胶木材具体的制备过程。在制备前，对巴沙木进行去木质素处理，以保证其木材纤维通道畅通，减小水分子和离子传输阻力。然后利用减压浸渍工艺将SA/rGO水凝胶浸入到木材纤维通道内部，通过合理控制浸渍时间以完成水凝胶在木材上的不对称分布。图2为W-MEG的具体结构，其顶部网格结构的开放电极允许W-MEG直接吸收湿气中的水分，而底部封闭电极则阻止与湿气接触。这样的电极安装设计便与水凝胶的不对称分布（图2放大图）相应，上半部分浓度高的水凝胶优先吸收水分，造成更大的离子浓度差，以此驱动更多的离子扩散进行发电。图2进一步展示了W-MEG中水凝胶的成分，海藻酸钠作为一种多糖类生物高分子，其优异的亲水性和胶凝性已被多次证明具有吸湿、发电等方面的潜力。在与水分子接触的过程中，海藻酸钠可快速解离出Na，并在浓度差的驱动下发生扩散。另外，还原氧化石墨烯被应用到此W-MEG的设计中，用于调节器件整体的电阻和增强导电性。

2.2 表征分析

为进一步证明制备的W-MEG具有不对称结构，利用扫描电子显微镜（SEM）对水凝胶浸渍前后木材表面和内部的微观结构进行了表征分析。水凝胶浸渍前后木材表面的电镜图像如图3（a）所示，图中左半部分清晰地为木材脱木质素后表面丰富的多孔结构。右半部分为水凝胶浸渍后的微观图像，几乎所有的木材孔洞都被水凝胶覆盖，进一步增大了与湿气的接触面积，更有利于对水分的吸收。图3（b）为木材内部在水凝胶浸渍前后的结构特征对比，左半部分清晰可见木材内部紧密排列的纤维通道，这为水分和离子的传输提供了途径。从右半部分的电镜图像可以看到，水凝胶仅存在于木材通道的上半部分，这成功地证明了所设计W-MEG具有的不对称结构。另外，图3（c）为傅里叶变换红外光谱（FT-IR），显示出W-MEG的上下部分具有不同的官能团特征吸收峰，也证实了不对称结构的成功构建。综上所述，这种所设计的不对称结构有利于扩大离子的浓度差，从而有效地驱动离子扩散，显示出改善W-MEG电输出性能的潜力。

2.3 发电性能

由于合理设计的不对称结构，扩大的离子浓度梯度使W-MEG具有优异的电输出性能。在发电性能测试实验中，W-MEG被放置在一个自制的亚克力箱体中，并不断通入湿气，用于自发吸附水分子，如图4所示。由图4（a）和4（b）可知，W-MEG具有高达220 mV的开路电压和0.28 μA的短路电流，且能够在2 000 s的长时间范围内保持稳定，这是由于构建的不对称结构和rGO的加入分别扩大了离子浓度梯度和减小了器件电阻（188.87 kΩ）。为了检测W-MEG在搭载不同负载时的功率输出，通过外联不同阻值的电阻并实时监测电压和电流的变化。由图4（c）可知，当负载电阻值为0.8 MΩ时，获得了0.022 μW/cm的最大输出功率密度。所制备的W-MEG可以在不同的湿度环境下工作，展示出实际应用的广泛性。当暴露在不同的湿气环境中时，W-MEG可以很轻松地捕获水分，由图4（d）可知，随着相对湿度的增加，吸湿量在不断增加，这也间接地说明了水在发电过程中发挥着至关重要的作用。由图4（e）可知，W-MEG的输出电压随着RH的增大而增大，在RH为80%时最大值为220 mV。即使在35%的低RH环境中，W-MEG仍然可以产生78.5 mV的电压。不同于电压，W-MEG的输出电流强烈依赖于RH的大小，由图4（f）可知，在95%的RH环境下拥有0.32 μA的最大电流输出。这表明由于水的吸附，W-MEG的电阻随着RH的增加而减小，导致离子的扩散阻力减弱，因此电流输出也增大。

2.4 发电原理

为进一步揭示W-MEG的发电机理，以及不对称结构对其发电性能的影响，建立了发电过程模型图，如图5所示。图5（a）为W-MEG的初始状态，具有上方水凝胶多而下方少的不对称结构，顶部的开放电极允许与湿气直接接触。图5（b）为湿气的吸收过程，当W-MEG暴露在湿气环境中时，上方水凝胶中的海藻酸钠便会捕获水分子，造成设备中的水分子从上到下增加。图5（c）表示随着吸濕时间的增长，上方水凝胶中的海藻酸钠便会发生Na解离，形成上多下少的离子浓度梯度。图5（d）表示Na由浓度高的区域扩散至浓度低的区域，发生电荷的不对称分布，便会产生电压或电流。

2.5 应用

在实际应用中，可以通过串联或者并联多个W-MEG单元达到提高整体电能输出的目的。图6（a）为串联5个W-MEG单元时的电压和电流输出，可以清晰地看到开路电压呈线性增加，由0.22 mV增加到1.08 mV，短路电流保持稳定。图6（b）为5个W-MEG单元并联时的电压和电流输出，短路电流最高可达1.52 μA，几乎呈倍数增加，开路电压维持在0.22 mV左右并保持稳定。此外，基于不对称结构的W-MEG可以与储能单元相结合，将湿气中的水分蕴含的能量转化为实际应用中的电能。由图6（c）可知，使用2个W-MEG单元串联可以对一个电容器（220 μF）进行充电，电容电压在900 s内可由0 mV上升至0.4 mV，显示出较快的充电速度。依次将充满电的5个电容器串联，足以点亮一个红色的LED，显示出所制备的W-MEG具有实际应用的潜力。

3 結论

综上所述，为扩大木材的多功能利用范围，开发了一种基于天然木材与水凝胶不对称结构的W-MEG。单个W-MEG可产生220 mV的开路电压和0.28 μA的短路电流，最大输出功率密度可达0.022 μW/cm。W-MEG基于定向水分传输和离子扩散效应，在35%～95%的大范围湿度环境中都有电压或电流输出，具有较强的环境适应能力。此外，通过串联或并联集成多个W-MEG单元，将放大的电压或电流储存于电容器等储能设备，可直接为LED等微型商业电子设备供电。因此，W-MEG为新一代能源收集设备的设计提供了新的思路，同时开辟了一种木材功能增值利用方式。

【参 考 文 献】

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