摘要：在大数据与物联网时代，研发下一代自供电连续能量收集系统意义重大。摩擦纳米发电机虽能有效收集运动能量并应用于多个领域，但依赖外部运动这一条件使其应用受限。而大气水分作为可再生能源，其普遍存在可克服其他可再生能源技术的限制，不过如何高效且可持续地利用大气水分进行能

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一、研究背景与目标

在大数据与物联网时代，研发下一代自供电连续能量收集系统意义重大。摩擦纳米发电机虽能有效收集运动能量并应用于多个领域，但依赖外部运动这一条件使其应用受限。而大气水分作为可再生能源，其普遍存在可克服其他可再生能源技术的限制，不过如何高效且可持续地利用大气水分进行能量收集，仍是长期难题。

自然界叶片的独特结构为能量收集提供了新思路。叶片表面的纳米 - 微米细胞结构具有疏水自清洁特性，叶脉在运输物质的同时赋予叶片机械强度，且叶片的生物降解性使其适合作为可持续产品的原料。基于此，提出将落叶转化为能量收集器的方法，利用吸湿性铁水凝胶的不对称涂层，实现从环境水分中持续发电。

二、材料与方法

（一）吸湿性铁水凝胶的制备

铁水凝胶通过六水合氯化铁（FeCl₃・6H₂O）与乙醇胺（EA）的配位反应合成，该反应也属于酸碱反应，FeCl₃・6H₂O 作为路易斯酸接收电子，EA 作为路易斯碱提供电子。

（二）LEH 的制备

收集落叶并消毒，用 0.6wt% 酸化亚氯酸钠溶液在 75℃处理 1 小时，重复五次后用蒸馏水清洗。

将处理后的叶片放入三乙基柠檬酸水溶液中 12 小时，压平干燥后得到白色叶片。

制备炭黑墨水，通过反复浸涂在白色叶片上进行导电处理，干燥至炭黑均匀分布。

在导电叶片一侧滴涂铁水凝胶并干燥，制得 LEH。

三、工作原理

当铁水凝胶吸收水分时，涂覆与未涂覆区域间形成水梯度，这种梯度因凝胶结构和叶脉对水分的保留与扩散限制而维持，进而在叶片表面形成双电层，呈现类似电容的充放电行为。

具体过程为：水分由气态变为液态，引发铁水凝胶离子解离；炭黑表面与液态水接触后带负电，通过吸附阳离子形成双电层；在外电路中，电子转移至外部电器实现发电。

四、实验结果

（一）铁水凝胶的吸湿性

铁水凝胶吸湿能力强，180 分钟内吸水量达 0.92g/g，远高于 FeCl₃・6H₂O 和 EA。经 50 次吸脱附循环后，吸湿能力无明显下降，稳定性和可重复使用性良好。

（二）LEH 的电性能

LEH 短路电流密度达 49μA/cm²，体积功率密度为 497μW/cm³。在开放环境中，可在 0.45 - 0.6V 范围内连续输出电压超 240 小时，120 次以上吸水脱水循环后性能几乎不变。

（三）自再生能力

LEH 放电后置于环境中，可通过与环境的动态水分交换自发恢复能量。通过串联和并联连接可扩展电压和电流输出，集成 36 个 LEH 的电源板能产生约 13V 电压。

五、优势与应用

（一）环境效益

生命周期评估显示，LEH 的环境影响比其他能量收集器低至少一个数量级。其原材料丰富，仅 2018 年美国落叶量就超 880 万吨，具有高功率输出、环境友好和低成本的优势。

（二）实际应用

LEH 机械强度高，300 次弯曲循环后无明显裂纹和性能下降。可通过串并联连接满足发光二极管、计算器等小型电子设备的用电需求。

六、结论与展望

基于落叶和吸湿性铁水凝胶的 LEH，其通过水梯度和双电层实现能量收集储存，具备高功率输出、自再生和环境友好等优点。但当前 LEH 在设备制备、集成及寿命后的处理等方面存在限制。未来将优化制备流程，提高大规模生产效率，开发可生物降解的 LEH，以提升其可持续性和实用性。

一起来做做题吧

1、以下哪项不是传统摩擦纳米发电机（TENGs）的限制？

A. 依赖外部运动

B. 环境影响高

C. 功率输出低

D. 需复杂组装工艺

2、制备铁水凝胶时，六水合氯化铁（FeCl₃・6H₂O）的作用是？

A. 路易斯碱

B. 电子供体

C. 路易斯酸

D. 配位配体

3、LEH 发电的核心机制是？

A. 光生伏特效应

B. 双电层形成

C. 热电效应

D. 压电效应

4、LEH 的体积功率密度为多少？

A. 49 μW/cm³

B. 497 μW/cm³

C. 49 mW/cm³

D. 497 mW/cm³

5、以下哪项是 LEH 的环境效益？

A. 原材料需人工合成

B. 生命周期评估显示环境影响低 10 倍

C. 制备过程需高能耗

D. 不可生物降解

6、当前 LEH 的主要限制不包括？

A. 制备步骤复杂

B. 大规模集成难度高

C. 自再生能力弱

D. 寿命后处理待优化

参考文献：

Guo, S. et al. Leaf-based energy harvesting and storage utilizing hygroscopic iron hydrogel for continuous power generation. Nat Commun 16, 5267 (2025).

来源：知识泥土六二三