本研究由香港理工大学智能可穿戴系统研究所及时装与纺织学院纳米技术中心的徐宾刚（Bingang Xu）教授团队主导完成，第一作者为Yaopeng Wu，合作单位包括华南理工大学机械与汽车工程学院。该研究成果于2026年发表于 Advanced Materials 期刊，论文标题为“Oxygen-Synergized All-Fiber Hydrovoltaics with Milliamp Output Toward Self-Powered Breathable Electronics”。
可穿戴技术市场正以14.60%的复合年增长率迅猛发展，对分散式能源供给的需求日益迫切。在各类环境能源中，水蒸发作为一种自然自发过程，伴随着巨大的能量转移（潜热约2260 kJ kg⁻¹），因此基于蒸发驱动的水伏发电技术（hydrovoltaic power generator, HPG）成为极具前景的研究方向。自2017年郭万林院士团队的开创性工作以来，水伏发电器件在输出电压方面已从单器件的数毫伏提升至大规模集成封装下的数百伏，然而输出电流和功率密度的进展却严重滞后。大多数已报道的HPG电流密度局限于微安级别，功率密度仅为数至数十µW cm⁻²，难以满足多传感器数据采集和无线数据传输等高功耗应用的实际需求。
传统水伏技术主要依赖单一功能层中由水/湿度梯度驱动的定向离子迁移，这种结构配置导致发电面积受限，且离子电流与外部电路电子电流之间的耦合效率低下。针对这一瓶颈，本研究提出引入自然界中普遍存在的氧气作为持续电子源，构建“离子迁移+电子补充”的双通路协同发电机制，从根本上提升HPG的输出性能。同时，针对现有可穿戴水伏器件普遍采用致密聚合物基底而牺牲透气性的问题，本研究致力于开发全纤维结构的HPG，兼顾高电输出与穿戴舒适性。研究以人体汗液作为理想液体介质，利用其约99%的水分用于蒸发和约1%的无机盐作为离子库，实现“取之于身、用之于身”的自供能可穿戴电子方案。
研究选用聚丙烯（polypropylene, PP）非织造纤维（non-woven fiber, NWF）作为基底材料，利用其纤维柔韧性、多孔性和化学稳定性。通过浸涂自组装方法将科琴碳黑（carbon black, CB）修饰至PP纤维表面，赋予其导电性。经四次浸涂修饰后，CB@PP NWF的方块电阻呈现两个数量级的下降，同时增量质量呈线性增长。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析在892 cm⁻¹处检测到新的吸收峰，归属于─C─O─O─C─的O─O伸缩振动，同时在1236至1242 cm⁻¹处观察到CH₂扭转运动的蓝移，证实了CB与PP纤维之间存在分子间CH-π相互作用。尽管CH-π相互作用的键能仅为1–3 kcal mol⁻¹，但单个CB分子中多重相互作用位点的累积效应赋予了CB@PP NWF优异的耐久性和耐洗性。
扫描电子显微镜（SEM）表征显示，裸PP纤维表面光滑，而CB@PP NWF中CB纳米颗粒均匀包覆于PP纤维表面，形成粗糙多孔结构。粗糙度平均值（Ra）从裸PP的0.7 µm显著提升至3.1 µm。X射线光电子能谱（XPS）分析确认了CB表面存在C─O、C═O和O─C═O等含氧官能团。接触角测试表明，裸PP NWF呈现120°的疏水行为，而CB@PP NWF在液滴接触瞬间即被完全吸收。毛细上升实验中，液体在毛细力驱动下自发克服重力沿CB@PP NWF上升，验证了多孔结构对水扩散的有效促进。
为进一步提升初始放电电流以匹配高功率电子设备的浪涌电流需求，研究将高电容多孔活性炭（active carbon, AC）引入功能纤维中。制备了不同AC/CB质量比的混合电极（hybrid electrode, HE），经三电极体系电化学测试筛选，HE-2（AC/CB = 0.5）电极表现出最高的面积电容和最优的倍率性能。电化学阻抗谱（EIS）分析显示HE-2具有最低的电荷转移电阻（Rct），表明其离子从电解质到电极的迁移速率最高。
全纤维HPG采用缝合法制备，由三层结构组成：HE@PP NWF作为工作电极（水伏功能层），吸湿速干织物（dry-fit fabric）作为隔膜，锌（Zn）编织织物作为对电极。Zn编织织物通过将Zn丝与银尼龙导电纱线交叉编织而成，展现出优异的柔韧性。
研究采用了多种测试手段。电性能测试中，开路电压（Voc）、短路电流（Isc）及带载输出通过数字万用表记录；循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）和EIS通过电化学工作站采集。氧还原反应（oxygen reduction reaction, ORR）活性与选择性通过旋转环盘电极在氧饱和的0.1 M Na₂SO₄中以5 mV s⁻¹的扫描速率进行表征。原位拉曼光谱（in situ Raman spectroscopy）用于实时追踪水伏过程中的碳材料掺杂态变化及ORR中间体。透气性通过自动透气性测试仪测量，液态水动态管理性能（moisture management testing, MMT）依据AATCC 195–2009标准测试。理论计算方面，采用基于密度泛函理论（density functional theory, DFT）的第一性原理计算，在CASTEP模块中实现，使用广义梯度近似（GGA）的PBE泛函，截断能设为500 eV，结构弛豫至能量收敛于10⁻⁵ eV atom⁻¹。
在“断开电极”（disconnect-electrode, DE）构型下，使用惰性Pt作为对电极时，纯水条件下CB@PP NWF与Pt之间的最大电位差达到200 mV，高电位区位于功能层顶部（干燥区域）。随着NaCl浓度从纯水增加至2 M，Voc从200 mV升至450 mV，Isc从0.35 µA升至1.15 µA，验证了电解质离子作为“离子燃料”对水伏性能的增强作用。环境湿度升高导致Voc和Isc下降，而水温从25°C升至60°C使Voc从0.20 V增至0.33 V，确认了蒸发动力学对输出的调控。
通过对比不同对电极（Cu、Sn、Zn）的输出性能，发现采用电化学活性更高的金属可显著提升稳定Isc值。Zn||CB@PP构型获得了数毫安的初始放电电流。在真空和氮气氛围下的自充电测试中，HPG的Voc在真空下仅达0.31 V（2000 s），远低于环境条件下的0.96 V；氮气氛围下Isc从750 µA骤降至240 µA，重新充入空气后恢复至750 µA。定量分析表明，电化学贡献（氧参与反应）的电流为510 µA，占总电流的68%。原位拉曼光谱在1016 cm⁻¹处检测到HO*物种特征峰的出现，证实了ORR过程的发生。旋转环盘电极测试进一步证实CB的电子转移数接近4.0，H₂O₂选择性低于5%，表明ORR主要通过4电子途径进行。
单器件HPG在人工汗液量28 µL cm⁻²条件下达到峰值电流密度1250 µA cm⁻²，Voc约为0.93 V。在330 Ω最优负载下，最大功率密度达164.5 µW cm⁻²。蒸发至电能的能量转换效率计算约为0.098%。该性能超越了绝大多数已报道的湿气发电和水伏器件。透气性测试显示，集成后的HPG气流率为428.4 mm s⁻¹，高于商用棉T恤（324.8 mm s⁻¹）和医用口罩（199.3 mm s⁻¹）的两倍以上。在0°至180°弯曲和扭转条件下，HPG的电压和电流输出几乎保持不变，经过2000次连续弯曲循环后Voc保持率超过95%。150次洗涤循环后，器件仍保持毫安级输出，性能保持率达88%。在90 min持续有氧运动的动态出汗条件下，Voc和Isc均呈现持续增长趋势。
通过串联和并联集成，HPG电源组展现出优异的可扩展性。24个单元串联可提供21.1 V输出电压，3串8并配置可输出22.9 mA最大电流。实际应用演示中，2个串联HPG单元直接驱动计算器，3个串联单元驱动数字计时器和温湿度计，5个串联单元驱动无线定位器和心率监测系统，驱动18颗LED灯组持续发光超过50 min。此外，HPG组还成功驱动了电机风扇和电加热织物，加热织物在数秒内升温约1°C。
本研究成功开发了一种汗液诱导且氧协同的全纤维HPG系统，实现了毫安级输出。通过构建离子富集存储电极并在功能层固-液-气三相界面诱导氧参与反应，建立了水伏效应与氧参与氧化还原的双通路协同发电机制。该机制通过电子跃迁模型、DFT理论计算和原位拉曼光谱得到系统验证。单器件HPG实现了164.5 µW cm⁻²的功率密度和1.25 mA cm⁻²的电流密度，较已有报道提升数个数量级。全纤维结构赋予器件428.4 mm s⁻¹的高透气性和88%的150次洗涤保持率。该工作为蒸发能收集器的设计提供了“取之于身、用之于身”的概念性解决方案，为自供能可穿戴电子设备的发展指明了有价值的路径。
本研究的核心亮点在于：第一，首次提出氧协同水伏效应的双通路发电机制，通过引入氧气作为持续电子源，填补了传统HPG仅依赖离子梯度的电子源空缺，实现了电流密度从微安级到毫安级的跨越式提升；第二，全纤维器件设计兼顾高电输出与穿戴舒适性，透气性优于商用棉织物，解决了可穿戴水伏器件的舒适性难题；第三，利用活性炭多孔结构的高电容特性实现离子吸附容量的显著增强，使器件能够提供电子设备启动所需的大浪涌电流，无需额外储能装置或整流电路即可直接驱动多种商用电子产品。