本發(fā)明涉及發(fā)電纖維材料，具體涉及基于吸濕-蒸發(fā)循環(huán)的可持續(xù)發(fā)電纖維材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、自然界中無處不在的水儲存了地球上所有太陽能的35％，從而在水循環(huán)中產(chǎn)生了巨大的能量轉(zhuǎn)換。近年來，水力發(fā)電技術(shù)，特別是水蒸發(fā)發(fā)電(weg)和濕發(fā)電(meg)，由于其自發(fā)的直流電輸出而受到廣泛的關(guān)注。weg通過水的蒸發(fā)將大氣熱能轉(zhuǎn)化為電能，其電信號來自于帶電納米材料中液態(tài)水的電荷分離。受電荷分離效率和水中低離子濃度的限制，weg的電流輸出量較低(大部分小于1μa/cm2)。由于weg的電信號輸出在應(yīng)用中依賴于穩(wěn)定的液態(tài)水供應(yīng)，其通用性和便攜性受到限制。

2、meg技術(shù)的設(shè)計目的是當(dāng)水分子從空氣中的氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ懿牧现械奈諔B(tài)時，捕獲化學(xué)勢能變化所產(chǎn)生的能量。電信號是通過離子在離子聚合物等高親水材料中的直接遷移而產(chǎn)生的，由于水分飽和后離子濃度梯度的消失，產(chǎn)生的電信號難以維持很長一段時間(主要是幾秒鐘或幾小時，很少維持幾天)。此外，這種材料的實(shí)際應(yīng)用受到了不可控的吸濕性、低柔韌性和力學(xué)性能等問題的阻礙。

3、織物可以作為水力光伏技術(shù)的理想載體。首先，織物在我們生活的各個方面都有廣泛的應(yīng)用，柔軟、輕便、可持續(xù)的能量收集織物(如摩擦電、熱電等)，被認(rèn)為具有巨大的應(yīng)用前景。第二，織物可以很容易地設(shè)計出可控的水分傳輸結(jié)構(gòu)，這有利于水光伏發(fā)電的應(yīng)用。此外，多器件的串聯(lián)-并聯(lián)連接是促進(jìn)水力發(fā)電實(shí)際應(yīng)用的一種途徑，織物可以簡單地縫合或拆卸，提供了一種方便和實(shí)用的集成方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于吸濕-蒸發(fā)循環(huán)的可持續(xù)發(fā)電纖維材料及其制備方法。所述可持續(xù)發(fā)電纖維材料具有不對稱的纖維結(jié)構(gòu)，可利用毛細(xì)管效應(yīng)在一側(cè)吸收水分，并從另一側(cè)有效地排出水分。吸濕-蒸發(fā)確保了持續(xù)的水流通過纖維膜中的負(fù)電微納通道，從而解決了水伏發(fā)電中不可持續(xù)輸出的問題。水的流動也驅(qū)動金屬電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生大量離子，這些離子的定向運(yùn)動提高了離子電流密度，從而產(chǎn)生可持續(xù)的高性能輸出。這種發(fā)電纖維材料與口罩、衣服等相結(jié)合，不僅可以滿足穿戴舒適性，還可以構(gòu)建能量收集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)為商用電子設(shè)備直接供電。

2、所述方法包括如下步驟：

3、步驟s1，制備吸濕層：將醋酸纖維素溶于有機(jī)溶劑中，通過靜電紡絲技術(shù)制備纖維素微米纖維膜，然后將吸濕性鹽溶于去離子水中，將纖維素微米纖維膜浸泡吸濕性鹽溶液，置入微波反應(yīng)釜中原位生長吸濕鹽離子，經(jīng)干燥后制備吸濕層；

4、步驟s2，制備排濕層：將聚丙烯腈、導(dǎo)熱填料溶于有機(jī)溶劑中，以吸濕層作為接收基底，通過靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維排濕層；

5、步驟s3，制備蒸發(fā)層：將聚偏二氟乙烯、層狀填料溶于有機(jī)溶劑中，通過靜電紡絲技術(shù)將納米纖維均勻沉積在排濕層上，制備蒸發(fā)層；

6、步驟s4，發(fā)電纖維材料集成：將活性金屬電極安裝在吸濕層，將石墨電極安裝在蒸發(fā)層，集成基于吸濕-蒸發(fā)循環(huán)的可持續(xù)發(fā)電纖維材料。

7、步驟s1中，溶解醋酸纖維素的有機(jī)溶劑為丙酮、二甲基甲酰胺、冰醋酸中的至少一種，纖維素在溶液中濃度為0.2～30wt％。

8、步驟s1中，采用靜電紡絲技術(shù)制備纖維素微米纖維膜時，靜電紡絲電壓為15～45kv，紡絲溶液消耗速率為0.5～12ml/h，接收距離為10～30cm，得到的纖維素微米纖維平均直徑為0.5～6μm，纖維膜厚度為5～200μm。

9、步驟s1中，所述吸濕性鹽為氯化鋰、氯化鈣、氯化鈉、硝酸鉀中的至少一種，吸濕性鹽在去離子水中的濃度為0.5～50wt％，微波反應(yīng)釜輸出功率為200～2000w，反應(yīng)溫度為30～100℃，反應(yīng)時間為1～60min。

10、本發(fā)明設(shè)計的吸濕層由吸濕鹽離子和親水性纖維素微米纖維膜構(gòu)成，既具有高效吸濕性又提供了正負(fù)離子，提高水定向輸運(yùn)時的離子電流密度。

11、步驟s2中，所述有機(jī)溶劑為二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、環(huán)丁砜、硝酸亞乙基酯中的至少一種，聚丙烯腈在有機(jī)溶劑中的濃度為0.2～30wt％；

12、所述導(dǎo)熱填料為氧化鋁、氧化鋅、氮化鋁、氮化硼、石墨烯、碳納米管、碳化硅、二氧化硅中的至少一種，導(dǎo)熱納米填料在有機(jī)溶劑中的濃度為0.5～50wt％。

13、步驟s2中，通過靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維排濕層時，靜電紡絲電壓為15～45kv，紡絲溶液消耗速率為0.2～8ml/h，接收距離為10～30cm，得到的納米纖維平均直徑為50～800nm，排濕層纖維膜厚度為5～200μm。

14、本發(fā)明設(shè)計的排濕層由導(dǎo)熱填料和聚丙烯腈納米纖維膜構(gòu)成，聚丙烯腈的親水性可以有效吸收吸濕層的水分子，導(dǎo)熱填料提供良好的導(dǎo)熱路徑，能夠有效將熱量傳輸?shù)秸舭l(fā)層，提高水蒸發(fā)速率。

15、步驟s3中，所述有機(jī)溶劑為二甲基甲酰胺、甲基乙烯酮、二氯甲烷中的至少一種，聚偏二氟乙烯在有機(jī)溶劑中的濃度為0.2～30wt％；

16、所述層狀填料為納米云母片、天然蒙脫土、氮化硼、滑石粉中的至少一種，層狀填料在有機(jī)溶劑中的濃度為0.5～50wt％。

17、步驟s3中，通過靜電紡絲技術(shù)將納米纖維均勻沉積在排濕層上的過程中，靜電紡絲電壓為15～45kv，紡絲溶液消耗速率為0.1～5ml/h，接收距離為10～30cm，得到的納米纖維平均直徑為10～600nm，蒸發(fā)層纖維膜厚度為5～200μm。

18、本發(fā)明設(shè)計的蒸發(fā)層由層狀填料和聚偏二氟乙烯納米纖維膜構(gòu)成，聚偏二氟乙烯的疏水性可以與排濕層形成不對稱潤濕結(jié)構(gòu)，有效促進(jìn)水的定向運(yùn)輸，層狀填料提供強(qiáng)度和阻隔性，提高纖維膜的多項力學(xué)性能和熱力學(xué)性能，包括拉伸強(qiáng)度、耐穿刺、熱變形溫度等。

19、步驟s4中，所述活性金屬電極為鋁、銅、鐵、銀中的至少一種，活性金屬電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)能夠提供穩(wěn)定的離子供應(yīng)。

20、本發(fā)明還提供了基于吸濕-蒸發(fā)循環(huán)的可持續(xù)發(fā)電纖維材料，采用所述的方法制備。

21、所述基于吸濕-蒸發(fā)循環(huán)的可持續(xù)發(fā)電纖維材料能夠應(yīng)用于低功耗環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、可穿戴電子設(shè)備、智能紡織品、遠(yuǎn)程傳感器和醫(yī)療健康監(jiān)測等領(lǐng)域。在環(huán)境監(jiān)測設(shè)備中，該材料可通過空氣濕度變化實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電，為傳感器提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)，尤其適合野外或偏遠(yuǎn)區(qū)域的環(huán)境監(jiān)控；在可穿戴設(shè)備和智能紡織品中，該材料可利用人體產(chǎn)生的汗液或周圍濕度變化進(jìn)行發(fā)電，為小型電子元件提供電力，實(shí)現(xiàn)移動健康監(jiān)測或智能衣物的持續(xù)供能；同時，這種纖維材料還能夠應(yīng)用于醫(yī)療健康監(jiān)測設(shè)備，通過吸濕-蒸發(fā)循環(huán)為設(shè)備供電，減少對外部電源的依賴，提升便攜性和可持續(xù)性。

22、有益效果：本發(fā)明提供的基于吸濕-蒸發(fā)循環(huán)的可持續(xù)發(fā)電纖維材料及其制備方法，在垂直方向上的非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計使其具有單一的導(dǎo)濕性能，因?yàn)槔绽箟翰?，液體會發(fā)生自主擴(kuò)散，多層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出疏水性增強(qiáng)，孔徑減小的特點(diǎn)，保證了纖維膜內(nèi)部水分的定向輸送。逐漸增加的電負(fù)性材料促進(jìn)電荷分離和離子定向遷移，從而在較長的時間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的高電流輸出，活性金屬電極的氧化還原反應(yīng)液可提供穩(wěn)定的離子供應(yīng)。導(dǎo)熱填料構(gòu)成的導(dǎo)熱路徑可以將熱量傳輸?shù)秸舭l(fā)層，促進(jìn)水的吸收-蒸發(fā)過程，確保了持續(xù)的水流通過纖維膜中的負(fù)電微納通道，從而解決了水伏發(fā)電中不可持續(xù)輸出的問題。該發(fā)明設(shè)計的一種基于吸濕-蒸發(fā)循環(huán)的可持續(xù)發(fā)電纖維材料可以提供超過12.5v的電壓輸出，這種發(fā)電纖維材料與口罩、衣服等相結(jié)合，不僅可以滿足穿戴舒適性，還可以構(gòu)建能量收集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)為商用電子設(shè)備直接供電。