纤维素

纤维素是一个发生在细胞膜上的精密过程。

当纤维素表面的羟基、羧基或磺酸基在水中发生部分离解后，固体表面形成净电荷，并吸引反离子形成紧密层与扩散层。

a代表性纤维素衍生物；

图2a展示了木材、棉花、草本植物、农作物、果蔬、绿藻和细菌等多种纤维素来源。

图3a总结了代表性纤维素衍生物；

例如，棉花次生壁纤维素的聚合度可以达到13000到14000，这意味着一条单链上串联了超过一万个葡萄糖单元。

纤维素的聚合度（即每条链中葡萄糖单元的数目）跨度极大，这直接影响了它的物理性质和加工方式。

韩国生产技术研究院JinKieShim&延世大学CheolminPark等人综述了基于纤维素的水伏器件在四大主流类型——湿气发电、蒸发发电、渗透发电及液滴发电中的研究进展，并阐明了纤维素的结构层级、表面化学性质及其水合行为在电水动力传输与器件整体性能中的作用机制。

II纤维素的结构基础、加工方式与功能特性

II纤维素的结构基础、加工方式与功能特性纤维素由β-(1→4)糖苷键连接的D-葡萄糖单元构成，每个脱水葡萄糖单元含有三个羟基。

b–d纤维素结构与不同形态水之间的相互作用，并由此形成四类水伏发电器件；

XI总结与展望该综述从分子、材料、界面和器件多个尺度构建了纤维素水伏发电的系统知识框架。

作者指出，纤维素水伏发电仍面临六项关键挑战：第一，经典EDL和Debye长度模型难以描述水合膨胀、孔道动态变化和非均匀电荷分布；

只有将电学性能、加工重现性和全生命周期环境效益共同纳入设计，纤维素水伏发电才可能由实验室概念真正发展为可规模部署的低碳自供能技术。

纤维素水伏发电的真正价值不只是“用水发电”，而是将可再生生物质、界面离子学和自供能电子系统连接起来。

纤维素水伏发电的综合比较。

该综述从分子、材料、界面和器件多个尺度构建了纤维素水伏发电的系统知识框架。

III纤维素水伏发电的统一作用机制

IV纤维素水伏发电的材料与器件设计框架

b纤维素水伏发电研究关键词的VOSviewer网络图；

c纤维素水伏发电器件的发展时间线。

e纤维素水伏发电的典型应用场景。

该图体现了综述的核心逻辑：从原料来源和分子结构出发，经水–材料相互作用和器件机制，最终连接具体应用。

这一机制导向的视角将纤维素材料设计与湿气、蒸发、渗透及液滴四类发电系统的功能表现紧密衔接，同时指明了高效环保水伏技术在可持续原料获取、标准化测试及规模化制备方面的实践方向。

IX纤维素水伏发电的器件集成与应用

IX纤维素水伏发电的器件集成与应用9.1作为可持续微型电源单个纤维素水伏单元的输出通常处于亚伏至伏特范围，可通过串联提高电压、并联提高电流，并配合电容器或电池进行能量管理。

纤维素水伏发电作为电源的应用。

纤维素水伏发电在健康监测和预警中的应用。

这表明纤维素OEG已由静态选择性膜发展到具有外界刺激响应的智能离子器件。

a纤维素材料的来源及相对比例；

c纤维素材料的主要物理化学与生物学特性。

5.2纤维素复合湿气发电体系复合策略可弥补纤维素电子导电性有限、单组分离子迁移率不足和输出稳定性较低等缺陷。

6.2纤维素复合蒸发发电体系为提升EEG的电荷收集和环境适应性，研究者通常将纤维素与碳材料、导电聚合物或二维材料复合。

7.2纤维素复合渗透能发电体系复合OEG的目标是在高离子通量与高选择性之间取得平衡。

纤维素复合EEG。

纤维素复合MEG。

纤维素复合OEG。

dMEG、EEG、OEG和DEG四类纤维素器件的电学性能比较。

纤维素器件覆盖的电压和电流密度范围最广且较为均衡，报道数量也最多；

也就是说，纤维素的合成和“挤出”是同时发生的。

这种连接方式让纤维素分子链呈现一种笔直的、扁平的姿态，使得相邻的链之间可以形成密集的氢键网络。

通过化学交联、离子化、梯度结构、复合填料和多层器件设计，纤维素体系已能够在较宽环境条件下获得具有竞争力的电压和电流，并完成从单元发电到电源、传感和预警系统的功能跨越。

作者将研究进展按四种能量来源进行分类，并在每一类中进一步区分纯纤维素体系和纤维素复合体系。

在真实纤维素体系中，经典刚性界面的EDL模型并不能完全适用。

纯纤维素体系主要利用本征羟基、纳米纤维网络和天然各向异性孔道，通过氧化、离子化、交联和结构致密化调控表面电荷与离子通路；

去蜡或熔融蜡层后，暴露的亲水纤维素容易形成连续水膜并造成电学短路，输出显著下降。

III纤维素水伏发电的统一作用机制

该图体现了综述的核心逻辑：从原料来源和分子结构出发，经水–材料相互作用和器件机制，最终连接具体应用。

b–d纤维素结构与不同形态水之间的相互作用，并由此形成四类水伏发电器件；

图2b–d将半纤维素/木质素包覆的天然植物结构、纤维素链及其与湿气、蒸发水流、盐水和液滴的相互作用联系起来，并对应形成湿气能量发电机(MEG)、蒸发能量发电机(EEG)、渗透能发电机(OEG)和液滴能量发电机(DEG)四类器件。

图7g展示MOF在纤维素原纤上的原位生长与界面相互作用。

图6d、e通过Al3⁺与纤维素羟基配位，使多价离子同时承担吸湿盐和离子交联剂的作用，在维持孔隙的同时提高抗溶胀性，代表性器件可实现约0.95V、112μAcm⁻2和106.1μWcm⁻2的输出。

在全球能源转型与低碳发展需求持续增长的背景下，如何从环境中广泛存在但尚未被充分利用的低品位能量中稳定获取电能，已成为先进能源材料研究的重要方向。