一种受生物启发的粘合水凝胶胶带，可实现被动冷却和持续发电

《Journal of Materials Science & Technology》：A bioinspired adhesive hydrogel tape enabling passive cooling and continuous electricity generation

生物仿生多层水凝胶胶带通过协同辐射冷却和湿度驱动的离子电迁移实现被动散热与可持续电力生成，可在-35°C至高温环境下稳定工作，并成功应用于穿戴设备供电和户外人员主动降温。

　　

李鹏飞|邹凯峰|赵志|莫彩青|陈浩民|罗卫东|雷晓娟|张凯|徐立群

西南大学材料与能源学院，中国重庆400715

摘要

个人热管理与可持续能源收集之间的冲突仍然是可穿戴技术中的一个根本性挑战。本文报道了一种受生物启发的多层水凝胶胶带（兼具散热和发电功能的水凝胶胶带），通过模仿天然聚合物的特性，实现了被动冷却和利用水分发电的协同作用。该胶带具有分层结构：顶层为醋酸纤维素层，用于辐射冷却；中间层为胶原纤维支撑层；底层为吸湿性水凝胶，用于捕获大气中的水分。这种结构在太阳照射下可实现约8.4°C的低于环境温度的冷却效果，并通过水分驱动的离子传输产生稳定的开路电压0.76伏特。该装置具有广泛的环境适应性，在-35°C至高温范围内都能保持性能，同时具备强健的可逆粘附性和天然的抗菌性能。实际应用表明，该胶带可以为商用电子设备持续供电，并有效为户外运动员和人员提供个人冷却。这项工作为自主热管理和可持续能源生成提供了一个可扩展的平台，推动了自给自足的可穿戴系统的发展。

引言

在气候变化与数字技术日益融合的时代，开发出能够协同调节人体热舒适度并实现分布式能源收集的下一代智能材料已成为推动人类福祉和可持续发展的关键科学挑战[[1], [2], [3], [4]]。目前的柔性发电机（如太阳能电池和热电材料）不可避免地会产生额外的热量，从而加剧热应力[[6], [7], [8]]。因此，高效的热耗散材料至关重要[[6], [7], [8]]。与此同时，虽然像辐射纺织品和水凝胶胶带这样的先进冷却材料可以降低温度，但它们无法发电[[9,10]]。发电与热管理之间的这种冲突阻碍了集成智能系统的发展。尽管最近的研究尝试将辐射冷却与摩擦电纳米发电机结合以实现双重功能的管理，但这些方案仍存在冷却性能有限、输出功率低以及环境适应性差的问题[[11]]。

大气中的水分子通过蒸发-凝结循环不断运动，为解决能源和冷却需求提供了理想的介质。它们的相变过程既可作为离子介导的电能转换的“能量载体”，也可通过潜热交换实现“冷却作用”[[12]]。基于这种双重功能，利用吸湿性发电技术可以通过极性纳米孔捕获水分子并引导离子运动，从而直接从环境湿度中产生电能[[13,14]]。值得注意的是，这一物理过程还具备隐性的热管理能力：水从液态变为气态的相变过程会吸收大量潜热，从而实现冷却效果，同时为离子传输提供持续的水分供应，并实现平衡的蒸发以生成电能。水蒸发可提供高达约320 W m^?2的冷却功率[[15]]。这种自然的热交换过程能够实现内在的热调节，满足基本的冷却需求[[16]]。目前的研究往往将发电与热管理分开，侧重于离子传输，而忽视了水分子脱附的冷却潜力及其与皮肤的兼容性。将水的能量转换和热调节功能统一在一个过程中的根本挑战依然存在。

自然界通过植物和动物体内存在的复杂结构提供了一系列精妙的解决方案，为解决各种技术挑战提供了丰富的灵感[[17,18]]。特别是哺乳动物皮肤的表皮、真皮和皮下组织之间的相互作用，实现了热调节、水分管理和能量平衡的精妙平衡：表皮层精确控制水分蒸发并优化红外热辐射的散发，真皮层建立高效的微循环路径，而皮下组织则作为动态的能量储存库。受此自然设计的启发，我们制备了一种兼具散热和发电功能的水凝胶胶带（HDPG-tape），通过使用天然动物皮肤支架的不对称组装策略实现了这两种功能的集成。利用水分子的吸附-脱附循环，这种双功能胶带既能发电，又能提供辐射/蒸发冷却，从而实现废弃生物质的升级利用。

优化后的系统表现出卓越的整体性能：在25°C和65%相对湿度（RH）条件下，其开路电压（V_oc）约为0.76伏特，短路电流（I_sc）约为64微安。该装置结合了日间辐射冷却和防冻特性，在广泛的温度范围内以及极端气候条件下都能实现高效稳定的电压输出。同时，得益于辐射冷却和蒸发冷却的协同作用，其冷却功率可达约375.5 W m^?2。该胶带能牢固地粘附在多种基底上（包括金属、塑料和玻璃），并且具有宽工作温度范围、可逆粘附性和抗菌性能。作为概念验证，该水凝胶胶带被贴在人体皮肤上，为可穿戴电子设备供电的同时实现了对身体的被动冷却。为期两天的实时监测证实了其稳定的性能表现：输出电压约为3.65伏特，体温降低了约5.1摄氏度。这项开创性研究通过将生物质战略性地工程化为多功能平台，为可持续能源-水关联技术开辟了新途径，为结合发电和被动冷却的离网环境管理提供了新的范例。

生物启发型HDPG-tape的设计原理与制造工艺

人类皮肤具有出色的柔韧性、抗菌屏障功能和热调节能力，使其能够在适应环境变化的同时维持生理稳态和稳定性[[19,20]]。本文提出的设计概念源于对皮肤散热和发电功能的深入研究。皮肤散热通常指的是表面胶原分子发出的热辐射[[21]]，以及汗液的作用

结论

总结来说，我们开发了一种受皮肤启发的可穿戴HDPG-tape，它将被动冷却和利用水分发电的功能有机结合。该胶带通过天然聚合物的不对称组装工艺制成：一侧用醋酸纤维素（CA）涂覆在羊皮膜上，另一侧则在原位聚合了吸湿性w-Gel水凝胶。这种设计使得在25°C和90%相对湿度（RH）条件下，该胶带能够吸收高达7.1 kg m^?2的水分，同时具有96.4%的太阳反射率和中红外

CRediT作者贡献声明

李鹏飞：撰写原始稿件、方法设计、数据整理、概念构思。邹凯峰：数据整理、实验研究。赵志：撰写原始稿件、软件开发、实验研究。莫彩青：撰写原始稿件、方法设计、实验研究。陈浩民：方法设计、实验研究。罗卫东：方法设计、实验研究。雷晓娟：方法设计、实验研究、数据分析。张凯：撰写稿件、审稿与编辑、项目监督、方法设计

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号52203127和32502177）和重庆市自然科学基金（项目编号2022NSCQ-MSX2132）的支持。