自供電智能紡織品是突破環境與能源限制的關鍵，但現有汗液蒸發發電機（TEG）面臨兩大瓶頸：一是依賴織物兩端的濕度梯度，制約可穿戴實用性；二是親水性材料遇水溶脹導致結構失穩，引發性能衰減。盡管紗線基TEG可通過紡絲直接嵌入功能組分，但主流濕法紡絲紗線缺乏天然纖維的定向通道結構，而碳納米管（CNT）或氧化石墨烯（GO）紗線又受限于制備工藝難以規模化。如何平衡高效離子傳輸、結構穩定性與量產可行性，成為領域內長期挑戰。

香港理工大學忻浩忠教授和東京大學安盟研究員合作團隊受古蕨類植物（Neotiopteris antiqua）維管束啟發，提出納米組裝新策略：通過浴法靜電紡絲制備納米纖維/石墨烯混合紗線，構建仿生一維定向納米通道。經交聯功能化處理后，紗線具備卓越抗溶脹性（浸水10天結構完好）和編織性能。單根4厘米紗線在水環境中輸出295 mV電壓、1.82 μA電流，模擬汗液環境下提升至360.4 mV與2.57 μA。進一步將62厘米紗線串并聯集成防水織物后，輸出電壓達1.85 V，可驅動LED燈珠及電子顯示屏。該成果為下一代自供電智能紡織品提供強韌高效的解決方案。相關研究成果以“Anti-Swelling Textile Power Generator with 1D Nanoscale Channel Alignment in Nanofiber/Graphene Hybrid Yarns”為題，發表在Advanced Functional Materials上。仿生設計與通道革新研究團隊借鑒古蕨類植物維管束的一維輸水通道（圖1a），利用浴法靜電紡絲實現納米纖維與GO/MXene納米片的原位復合。電場驅動聚合物射流在含納米片的浴液中沉積，通過靜電吸引與氫鍵作用實現納米級均勻混合（圖1b）。旋轉牽伸使組分沿軸向有序排列，形成連續線性納米通道（圖1c）。相較于濕法紡絲紗線（WS）的曲折微米級孔道（>1000 nm），該混合紗線通道呈現定向直通結構（<1000 nm），顯著提升水傳輸效率。

圖 1.a) 納米纖維/納米片混合紗線的構建機制，b) WS紗線和納米纖維/納米片混合紗線的通道結構，以及 c) 纖維/納米片接觸方式。

結構調控與力學性能

通過第一性原理計算（圖2a-c），證實含羥基的纖維素醋酸酯（CA）與GO的結合能（-0.85 eV）遠高于無極性聚苯乙烯（PS，-0.38 eV），解釋PS/GO紗線顏色偏淺（納米片摻量低）的原因。CP/GO（CA/PAN混合）紗線表面（圖2d-f）及截面（圖2g-i）電鏡顯示，納米纖維與GO片層緊密粘附且內外均勻分布，形成穩定圓柱結構。力學測試（圖2j）表明，除PS基紗線外，其余混合紗線斷裂應力均超20 MPa，可輕松提起100克砝碼（圖2k）并編織成織物（圖2l）。

圖 2.a–c) CA和PS與GO的表面結合能，d–f) CP/GO紗線的表面SEM圖像，g–i) CP/GO紗線的截面SEM圖像，j) 各種混合紗線的應力-應變曲線，k) 提起100克重物，l) 由CP/GO紗線編織的織物。

抗溶脹功能化突破

針對親水紗線溶脹痛點，團隊設計三步化學處理（圖3a）：先脫乙酰化增加羥基密度，再經120℃加熱激活封閉型異氰酸酯（BIC），最終通過聚氨酯反應實現纖維交聯。交聯紗線（caccg）保留一維納米通道（圖3b-c），納米CT成像（圖3d）顯示通道連續定向，尺寸集中于1000 nm以下（圖3e）。Zeta電位提升（圖3f）證實表面負電荷增強，利于雙電層（EDL）形成。交聯網絡使溶脹率從231%降至0.7%（浸水10天僅增0.6%）（圖3h），同時機械強度提升35.2%（圖3i），滿足打結編織需求（圖3j）。

圖 3.a) CGB紗線的功能化處理過程，b,c) SEM圖像，d) 納米CT圖像，e) 通道尺寸分布，f) Zeta電位，g) 水接觸角，h) 抗溶脹能力，i) 應力-應變曲線，j) 力學性能的直觀展示。

發電性能與環境適應性

基于EDL離子選擇性遷移機制（圖4e），4厘米caccg紗線在水環境中輸出穩定295 mV/1.82 μA（圖4b-c），開路電壓驗證達360 mV（圖4d）。有限元模擬（圖4f）揭示：納米通道互聯結構（對比孤立微通道）顯著加速水傳輸。性能優化路徑包括：提升GO摻量增強導電性（圖5c）、增加紗線長度擴大蒸發面積（圖5d）、調控脫乙酰參數（圖5a-b）。模擬汗液（2 g/L NaCl）中電壓/電流升至360.4 mV/2.57 μA（圖5g），60小時持續發電驗證穩定性（圖5h）。

圖 4.a) 測試TEG輸出功率的原理圖，b) 基于不同紗線的TEG的電壓，c) 基于不同紗線的TEG的電流，d) 基于CdCGB紗線的TEG在穩態下的I-V曲線，e) 基于CdCGB紗線的TEG的機理圖，f) 在10到48分秒時間跨度內，通過有限元模擬獲得的微米尺度通道和納米尺度通道中的水濃度分布，g) 電導率，h) 蒸發速率，i) 基于CGB、dCGB和CdCGB紗線的TEG的芯吸高度。

圖 5.基于CdCGB紗線的TEG在不同條件下的輸出電壓和電流：a) NaOH濃度，b) 處理時間，c) GO納米片含量，d) 紗線長度，e) 環境溫度，f) 空氣流速，g) 液體環境，h) 輸出電壓穩定性，i) 輸出電壓和電流隨外部電阻的變化。

可穿戴應用驗證

單根紗線滴液測試（0.5 mL）輸出322 mV/1.74 μA（圖6b-c），反復蒸發-補水循環保持穩定（圖6d）。四根紗線串/并聯后電壓/電流倍增（圖6e-f）。通過串并聯集成60根2厘米紗線制成防水織物（圖6h），在持續汗液供給下輸出1.85 V/17.32 μA/31.96 μW（圖6i），成功點亮LED燈珠（圖6j）。穿戴于志愿者手臂的發電袖套（圖6k），進一步驅動電子顯示屏運行。

圖 6.a) 滴液測試原理圖，b) 基于CdCGB紗線的TEG在不同液體中的電壓（紗線長度為2厘米），c) 基于CdCGB紗線的TEG在不同液體中的電流（紗線長度為2厘米），d) 重復滴液和蒸發過程中的電壓，e) 四根CdCGB紗線串聯的電壓，f) 四根CdCGB紗線并聯的電流，g) 電容器充電時的V-t曲線，h) CdCGB紗線編織成紡織品的工作原理圖，i) 六十根CdCGB紗線的平均電壓、電流和功率，六十根CdCGB紗線編織成的防水織物為小型j) 燈珠和k) 顯示屏供電。

總結與展望

該研究通過仿生納米組裝與交聯功能化，攻克了紡織發電機溶脹失穩的核心難題。所開發的混合紗線兼具定向離子傳輸、長效防水穩定及織物集成能力，單紗至織物的多級性能拓展驗證了其在可穿戴領域的應用潛力。未來通過優化通道排布與規模化生產，這類抗溶脹發電紡織品有望為智能服裝、健康監測設備提供持續綠色能源。

來源：高分子科學前沿

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