English

• 0.   引言

  为缓解因大量消耗化石燃料导致的能源危机和环境污染问题，可再生能源(如太阳能、风能、水能等)的研究受到了广泛关注。作为气态水，湿气蕴含极为丰富的能量，但目前仍未得到有效开发利用。湿气在环境中的分布广泛，不受地理位置和气候变化等因素的限制，获取非常便利^[1-5]。环境湿度被视为一种巨大的隐形蓝色能源，在能量转换领域具有广阔的应用前景。湿气能够轻易激发湿敏材料，将其化学能转化为电能。然而，目前湿气发电主要是依靠碳纳米材料与水气的相互作用实现^[5]。而碳纳米材料的宏量制备难度较大、成本较高，复杂的器件结构也影响了其大规模应用。因此，低成本、高性能的湿气发电材料与器件研发依然是该领域的研究重点与难点^[6]。

  纤维素作为地球上最古老、最丰富的天然高分子，具有生物相容性、亲水性、可再生性、生物降解性和良好的化学稳定性等特点，是制备功能材料的理想载体^[7-9]。特别是在与水或湿度相关的领域，纤维素材料凭借其亲水性特征展现出独特优势，尤其在健康监测和发电等领域具有广泛应用前景^[10-11]。然而，纤维素较弱的导电性限制了其在导电材料中的应用^[12-13]。

  Chen等通过在碱性-尿素水溶液中原位化学还原氧化石墨烯(GO)制备了纤维素/rGO复合薄膜(rGO：还原氧化石墨烯)，该薄膜兼具良好导电性与机械性能，能作为多功能传感器，对温度、湿度、应力应变、液体等多种刺激产生电阻变化响应，且传感性能受液体类型、温度和离子浓度的影响，应用前景广泛^[14]。同时，Li等通过真空辅助过滤和表面印迹技术制备出不对称图案化的CNF(纤维素纳米纤维)/GO复合薄膜，该薄膜对湿度变化响应迅速，在25%~85%相对湿度(RH)下曲率随湿度线性变化且循环稳定性好^[15]。

  基于纤维素在湿度传感器领域的成功应用，我们将以废纸、废旧纯棉衣物为代表的废弃纤维素经过进一步的回收和再生，分别得到再生废纸纤维素(RCe_wp)、再生棉织物纤维素(RCe_cf)以及再生脱脂棉纤维素(RCe_ac)，然后再将其与GO混合并通过原位还原反应生成rGO，通过调控纤维素薄膜中官能团的浓度梯度、湿气，使材料中的离子定向移动，从而产生电压和电流^[16]。这种薄膜具有柔韧性好、可降解、可剪裁和成本低等诸多优点，同时该方法的使用也减少了回收利用率低的废弃纤维素因焚化或垃圾填埋所产生的温室气体。我们制备的纤维素-石墨烯薄膜发电机是从潮湿的空气中获取能量，具有全天候、全地域、生物相容性和生物降解性等优异性能，是一种高效低成本的电能收集策略。

  1.   实验部分

  1.1   材料

  实验所用氢氧化钠(NaOH，分析纯)、尿素(CO(NH₂)₂，分析纯)、水合肼(N₂H₄·H₂O，分析纯)均购自国药集团药业股份有限公司。GO悬浮液(2 mg·mL^-1)购自碳丰科技有限公司。脱脂棉购自江苏米沙瓦医疗有限公司。其余实验材料均为实验室制备，确保实验条件的一致性和可控性。

  1.2   纤维素的再生

  将氢氧化钠、尿素和蒸馏水按照质量比7∶12∶81混合配制成溶液，然后将该溶液在-12 ℃冷冻24~48 h，冷冻后的产物中出现少许冰晶。将废纸、旧纯棉衣服或脱脂棉剪成碎片后，分别在研磨机中研磨10 min后，得到纤维碎屑，将其与预冻好的上述溶液按照质量比1∶24进行混合，然后用搅拌棒搅拌1 min后，离心收集沉淀，并加入去离子水，再次离心洗涤3次，得到质量分数为4%的RCe_wp、RCe_ac、RCe_cf湿凝胶。

  1.3   RCe/rGO薄膜的制备

  分别取20 g上述RCe_wp、RCe_ac或RCe_cf湿凝胶，分别加入20 g GO悬浮液和1 mL水合肼中，在通风橱中机械混合搅拌30 min，直到混合均匀，制备得到RCe/rGO混合凝胶，其中RCe和rGO的质量比为20∶1。将RCe/rGO凝胶离心洗涤3次后，用玻璃棒擀成1 mm厚的薄膜，再将其在冷冻干燥机中冻干，裁剪成1.5 cm×1.5 cm的正方形薄膜备用。

  1.4   RCe/rGO薄膜的表征

  采用日本日立公司的S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜的表面形态。采用北京普析通用仪器有限责任公司XD-2/XD-3型X射线衍射仪(XRD)分析薄膜的结构，使用Cu Kα射线(λ= 0.154 06 nm)，在2θ=10°~70°的范围内收集数据，扫描速度为8 (°)·min^-1，工作电压和电流分别为36 kV和20 mA。发电性能测试均在电化学工作站(CHI 660E)上进行。

  1.5   湿气发电装置的组装

  将薄膜夹在不锈钢网做成的集流体之间制备得到RCe/rGO薄膜电极，并放置于如图 1所示的湿气发电装置中。湿气发电设备和电化学工作站相连，以便收集薄膜在湿气中产生的电流。当环境RH不足95%时，为避免外界湿度波动的影响，需要在一个封闭的透明有机玻璃罩里开启外置的加湿器，具体操作如下：将一片RCe/rGO薄膜电极夹在自制的湿气测试模具上，固定好后在上下2块集流体上引入导线，然后置于自制的湿气发生器中，接入辰华CHI660E系列电化学工作站，测试其电流-时间(i-t)和电压-时间(V-t)曲线。

  图 1

  

  图 1.  湿气发电装置示意图

  Figure 1.  Schematic diagram of moisture electric generation device

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  2.   结果与讨论

  2.1   RCe和rGO的混合

  我们选择了3种不同的纤维素原料，在NaOH和尿素水合物的溶液中，通过低温溶解纤维素的方法，成功将纤维素溶解出来。废纸纤维素是天然的大分子纤维素经过处理得到的小分子纤维，脱脂棉是去除了油脂和杂质的天然纤维素，而纯棉织物的纤维素是天然未经过任何处理的大分子物质。蒋志伟和汪森等^[17-18]的研究表明，随着分子量的增大，碱和尿素体系对纤维素的作用减小，纤维素溶解能力下降。因此，在图 2a所示的RCe_wp的SEM图中未观察到纤维结构，这表明纤维结构已被完全溶解并重构。如图 2a中的插图所示，纤维素充分溶解成稳定的凝胶状态，这是由于OH^-与尿素中的氨基发生氢键相互作用^[19]。此外，Na⁺与纤维素以及尿素也发生相互作用^[18]。这些相互作用最终形成纤维素-NaOH-尿素-水氢键复合物，从而增强了附着在纤维素链上的NaOH-尿素-水团簇的结合力^[20-21]。在低温条件下，NaOH的水合物更容易与尿素中的OH^-结合形成新的氢键网络，从而破坏原有的分子内和分子间氢键，使得天然纤维素的长分子链被充分打开，形成稳定的凝胶^[22-24]。相反，图 2b、2c所示的纯棉织物、脱脂棉的再生纤维素仍保持纤维结构，这是由于其受自身较长纤维素长链的影响，导致在低温条件下，碱和尿素的OH^-对长链的破坏性有限。

  图 2

  

  图 2.  (a) RCe_wp、(b) RCe_cf和(c) RCe_ac的SEM图

  Inset: corresponding photos of real RCe wet gel.

  Figure 2.  SEM images of (a) RCe_wp, (b) RCe_cf, and (c) RCe_ac

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  纤维素Ⅰ的典型特征衍射峰约在2θ=15°和16°处^[25]，纤维素Ⅱ的典型特征衍射峰约在2θ=12°、20°、22°处^[26]。如图 3所示，RCe_cf和RCe_ac都同时含有Ⅰ和Ⅱ型纤维素的特征峰，这是因为在再生过程中，部分Ⅰ型纤维素经过溶解后，变成了稳定的Ⅱ型纤维素，而RCe_wp几乎只含有Ⅱ型纤维素^[27]。这是因为在NaOH-尿素的水溶液体系里，随着分子链变长，纤维素链间的缠结概率增加，阻碍了纤维素与溶剂分子键形成包合物^[28]，废纸纤维素由于其较短的分子链长度和较低的结晶度，在NaOH-尿素体系中更容易溶解并转化为纤维素Ⅱ型。

  图 3

  

  图 3.  RCe_wp、RCe_cf和RCe_ac的XRD图

  Figure 3.  XRD patterns of RCe_wp, RCe_cf, and RCe_ac

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  以RCe_wp为原料，经冷冻干燥后得到的样品形貌如图 4a所示，其展现出开口向上的三维网络结构。与rGO混合后的RCe_wp/rGO薄膜仍然保留了RCe_wp的多孔结构(图 4b)。由图 4c和4d可看出，RCe_ac/rGO、RCe_cf/rGO薄膜保留了部分纤维结构，没有形成多孔结构。由图 4e中的RCe和rGO之间的氢键示意图可知，rGO上残留的含氧官能团与再生纤维素中所暴露出的羟基之间凭借氢键相互结合。

  图 4

  

  图 4.  经过冷冻干燥后得到的(a) RCe_wp、(b) RCe_wp/rGO、(c) RCe_ac/rGO和(d) RCe_cf/rGO的SEM图(e) RCe和rGO之间的氢键示意图

  Figure 4.  SEM images of (a) RCe_wp, (b) RCe_wp/rGO, (c) RCe_ac/rGO, and (d) RCe_cf/rGO obtained after freeze-drying; (e) Illustration of hydrogen bond between RCe and rGO

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  2.2   湿气发电性能测试

  2.2.1   不同加湿方式的发电性能比较

  为了进一步模拟不同环境下再生纤维素材料的湿气发电能力，采用了RCe_wp和rGO质量比为20∶1时制备的薄膜材料，并测试了4种不同的加湿方式(预暴露湿气后停止加湿、过饱和吸附湿气、持续加湿和间歇式加湿)下产生的感应电势。通过观察V-t曲线的变化(图 5a)，可以发现在不同加湿条件下再生纤维素材料的发电性能变化情况。第1种加湿方式是在测试前将薄膜预先暴露于RH=100%湿气环境中，测试时移走密封罩，停止加湿。由于薄膜材料本身具有良好的吸湿性，湿气发电开始时电压迅速达到46 mV。然而，由于没有持续的湿气补充，电压在120 s内迅速下降，随后逐渐降低，直到3 500 s时接近0 V。第2种加湿方式是将RCe_wp/rGO电极浸泡于水中，进行过饱和吸附湿气后，再进行电压测定，发现电压稳定持续保持在66 mV。第3和4种加湿方式分别为持续不断加湿和间隔4 500 s进行加湿。由图 5a中曲线可见，在持续加湿和间歇式加湿时，2个样品电压变化相差不大，均在1 000 s内出现最大峰电压。如图 5b所示，在持续加湿过程中，样品在7 500 s后产生的不对称脉冲电压消失，电压逐步回落，这主要是因为湿气的供应导致样品吸收了足够的水分，从而使得产生电流所需的质子浓度梯度消失。间歇加湿过程中(图 5c)，在测试前的4 500 s持续加入湿气(图 5c中区域Ⅰ)，在第4 500 s时中断湿气供应(图 5c中区域Ⅱ)，此时薄膜电极由于缺乏水气供应，吸湿产生的感应电压变化变得缓慢，在发电阶段，曲线甚至开始出现毛刺现象，但没有出现过饱和吸附现象。因此，为了避免样品在吸湿后出现过饱和现象，后续实验均采用间歇式湿气施加方式。

  图 5

  

  图 5.  (a) 不同加湿方式收集到的RCe_wp/rGO薄膜的V-t曲线; (b) RCe_wp/rGO薄膜持续加湿的V-t曲线; (c) RCe_wp/rGO薄膜间歇式加湿的V-t曲线; (d) RCe_wp/rGO薄膜在不同RH下测试的V-t曲线

  Figure 5.  (a) V-t curves of RCe_wp/rGO film collected under different humidification methods; (b) V-t curves of RCe_wp/rGO film under continuous humidification; (c) V-t curves of RCe_wp/rGO film under intermittent humidification; (d) V-t curves tested under different relative RH

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  将RCe_wp/rGO暴露于不同RH(30%、70%、85%和99%)的环境中进行测试，结果如图 5d所示，当RH=30%时，随着时间的增加，电压逐渐增加，最大电压(V_max)为73 mV，电压曲线比较平稳。600 s后将RH增大为70%，电压随时间呈现出较规律的周期性波动，开始出现类似脉冲电压，周期为30~40 s，V_max能达到80 mV。在这个湿度条件下，电压逐渐下降的现象可以归因于质子浓度梯度的下降。在接着增加湿度到85%的初期，电压停止下降，随着时间延长，开始剧烈波动，这主要是由于湿度增大导致电极中水的蒸发过程受到抑制，同时纤维素具有较强的亲水性，脱水过程相对缓慢^[29]，此时，不锈钢集流体的氧化还原反应被水气进一步触发，释放出电子和离子。当湿度接近99%时，电极可能出现过饱和的现象，导致质子浓度梯度逐渐消失，最终使得发电能力减弱。这种复杂的相互作用解释了电压在湿度变化中的动态行为。

  2.2.2   不同种类RCe/rGO的发电性能比较

  采取间歇式的加湿方式，加湿阶段的RH=100%，RCe/rGO薄膜电极中RCe和rGO的质量比为20∶1时，改变再生纤维素的原材料，以探索不同再生纤维素基底对电化学性能的影响。由图 6a、6b可知，纯净的rGO薄膜电极并无电流效应与电压效应，这是因为rGO在还原过程中去除了亲水性含氧基团。而RCe_wp/rGO、RCe_ac/rGO和RCe_cf/rGO均具有脉冲电流和脉冲电压。由图 6a可知，在长达7 000 s的循环周期里，RCe_cf/rGO薄膜电极经过前300 s的剧烈振荡后趋于稳定，并在250~900 s内输出17个周期，再经历一个急剧上升的过程，最后发生不可逆的衰减，直到电流接近0 A(图 6c)。根据报道^[25]，Ⅰ型纤维素构象转变为更稳定的Ⅱ型结构的同时，也增强了亲水性。SEM图(图 2b)和XRD图(图 3)显示，RCe_cf保留了最大的原始显微组织和最完整的I型纤维素晶体，因此，表现出最差的吸湿性。而RCe_ac/rGO薄膜的电流十分不稳定(图 6a)，并且在5 500 s时停止产生脉冲电流。相反，几乎只含有Ⅱ型纤维素的RCe_wp/rGO薄膜可在长达7 000 s的循环周期里稳定输出电流，产生的电流最大可达10 μA。进一步由放大最后1 000 s的i-t曲线(图 6d)可知，其产生的电流呈现不对称的现象，电流上升过程比回落过程更加平滑且上升速度更快。这表明RCe_wp/rGO薄膜在湿气中对水气的吸附和水合反应迅速，因此电流上升迅速，相反，由于纤维素的强亲水性，脱水过程相对较慢，电流回落时出现毛刺峰^[30]。

  图 6

  

  图 6.  不同种类RCe/rGO在RH为70%时的(a) i-t和(b) V-t曲线; (c) RCe_cf/rGO在最初3 000 s内的i-t曲线; (d) RCe_wp/rGO在最后1 000 s内的i-t曲线; 不同电阻负载下单个RCe_wp/rGO湿气发电输出的(e) V_max和J_max变化曲线和(f) 功率密度曲线

  Figure 6.  (a) i-t and (b) V-t curves of different types of RCe/rGO at RH of 70%; (c) i-t curve of RCe_cf/rGO within the initial 3 000 s; (d) i-t curve of RCe_wp/rGO within the last 1 000 s; (e) Output V_max and J_max variation curves and (f) power density curve of a single RCe_wp/rGO film under different resistance loads

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  通过连接具有不同电阻的负载电阻器，研究了RCe_wp/rGO薄膜在70% RH湿气发电的外部设备的电流输出(图 6e、6f)。随着负载电阻从100 Ω增加到1 kΩ，电阻器的电压从73 mV增加到89 mV，而电流从32.0 μA·cm^-2减少到3.8 μA·cm^-2。当负载电阻为100 Ω时，输出功率达到最高值2.34 μW·cm^-2。

  2.3   RCe/rGO薄膜发电机理

  研究表明，电极可能在湿电产生中起着至关重要的作用^[29-34]。为了探讨电极对发电的影响，进行了一系列实验。在RH=70%的条件下，采用RCe_wp/rGO薄膜，首先在电极的顶部和底部分别配置一对金属集流体，用于收集电极产生的电流。集流体材料包括泡沫铜、泡沫镍以及不锈钢网。这些集流体以对称方式放置在电极的两端，分别与电极接触来收集电流。如图 7a的i-t曲线所示，未配备集流体的裸电极的电流远低于带集流体的电极，但仍呈现比较规律的周期性变化。不同金属集流体产生的电流差异不大，但是相比不锈钢，镍和铜集流体的电流会产生剧烈的波动，而不锈钢的电流曲线比较平滑，最大电流能达到7 μA，略大于镍和铜。这充分表明，金属集流体对电流产生的影响不可忽视。

  图 7

  

  图 7.  没有金属集流体的裸电极和不同金属集流体的(a) i-t和(b) V-t曲线

  Figure 7.  (a) i-t and (b) V-t curves of the different metal current collectors

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  进一步通过V-t曲线分析可知，裸电极依然呈现出周期性的变化规律，但电压相对较小。比较3种金属集流体(镍、铜和不锈钢)时发现，不锈钢的电压最大，约为53 mV，其次是镍，铜的电压最小。对比这3种金属可知，铁的标准还原电势为-0.440 V，镍的为-0.250 V，铜的为0.337 V，说明铁的化学活性最强，而铜的最弱，这与电压输出的表现相吻合。因此可推测发生在不锈钢集流体上的氧化反应如下：

  $\;\;\;\; 2 \mathrm{Fe} \rightarrow 2 \mathrm{Fe}^{2+}+4 \mathrm{e}^{-} $

  (1)

  $\;\;\;\; \mathrm{O}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+4 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 4 \mathrm{OH}^{-} $

  (2)

  Fe的氧化释放了电子和亚铁离子，同时与电极上不对称的离子扩散作用相结合，产生了更强的电流。Ni和Cu的行为也类似，通过相同的机制发生氧化反应，释放电子和金属离子，从而增强电流输出，这个结论也与Mo和Wen等的发现一致^[33-34]。

  RCe/rGO薄膜发电机理是基于湿度梯度引起的复合薄膜中电离效应产生的质子定向传输，具体来说，在RCe/rGO薄膜中，RCe中丰富的亲水性官能团吸附了水分子。这些吸附的水分子一方面引发rGO上羧基中的O^δ-—H^δ+键的削弱，释放出H⁺和O^2-离子；另一方面，他们诱导RCe/rGO表面的正负电荷分离，从而产生电势差^[31]。在H⁺浓度梯度的作用下，H⁺离子扩散，生成感应电势，推动外部电路中的电子流动。最终，RCe/rGO薄膜的3D结构和层间空间促进了离子和水的快速扩散，从而提高了能量转换效率^{[7, 12]}。

  如图 8所示，将上下2片不锈钢网分别连接到电化学工作站上，可以测试RCe/rGO薄膜在湿气环境中产生的电流。在干燥环境中，由于RCe/rGO薄膜与水无接触，其内部电荷处于中性状态，因此没有电流，如图 8a所示。当环境湿度逐渐增加时，水气从薄膜的顶面进入(图 8b)，从而形成内置的水梯度^[32]。RCe/rGO薄膜捕获水分子导致可解离的含氧官能团解离，产生大量质子。由于水合离子从上层流向下层，产生了电势差并导致电流的生成。因此，电流是由H⁺离子从高浓度区域向低浓度区域的移动产生的，如图 8c所示。此外，发生在不锈钢集流体上的氧化还原反应也会释放电子和离子，进一步增强电流输出。

  图 8

  

  图 8.  RCe/rGO薄膜发电的机理示意图

  Figure 8.  Schematic diagram of RCe/rGO film moisture electricity generation mechanism

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  镁空气电池是利用发生在阴极的氧化反应：Mg+2H₂O→Mg(OH)₂+H₂和发生在阳极的还原反应：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-来进行发电，其中水气的补充尤为关键。不同电极开路电压、最大瞬态电流(I_max)和最大功率(P_max)的具体数据如表 1所示。本工作中使用市售的镁合金、滤纸和泡沫镍模拟一个镁空气电池发生装置，记为Mg-paper-Ni，测得其开路电压为1.23 V，1 cm²电极的最大瞬态电流为0.306 μA(图 9a)；将滤纸换成湿气发电薄膜RCe_wp/rGO后，在50%的湿度环境下，开路电压可达1.37 V，单位面积电极的电流为132 μA(图 9b)；在90%的湿度环境下，开路电压可达1.57 V，最大瞬态电流上升至6.42×10⁴ μA(图 9c)，最大功率能达到101 mW。

  表 1

  

  表 1  不同电极开路电压、最大瞬时电流和最大功率的相关数据统计

  Table 1.  Statistical data of the open-circuit voltage, maximum instantaneous current, and maximum power of different electrodes

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  Sample	Voc / V	Imax / μA	Pmax / mW
  Mg-paper-Ni	1.23	3.06×10-1	3.76×10-4
  50% RH Mg-RCe/rGO-Ni	1.37	1.32×102	1.81×10-1
  90% RH Mg-RCe/rGO-Ni	1.57	6.42×104	1.01×102

  图 9

  

  图 9.  (a) Mg-paper-Ni、(b) Mg-RCe/rGO-Ni和(c) 不同电极的i-t曲线

  Inset: the luminescence of Mg-RCe/rGO-Ni after collecting moisture at night.

  Figure 9.  i-t curves of (a) Mg-paper-Ni, (b) Mg-RCe/rGO-Ni, and (c) different electrodes

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  在正常情况下，为了点亮一个功率为0.04 W的红光LED灯泡，需要串联1.7×10⁴个最大输出功率为2.34 μW的电池。然而，我们利用RCe_wp/rGO薄膜在空气中吸湿发电的特性，并结合镁空气电池，制备出一种新型的镁-湿气发电电池。在不需要额外液体电解质的条件下，该电池由一个面积为1.5 cm×1.5 cm的镁合金和同等大小的泡沫镍或泡沫铜构成，中间用RCe/rGO湿气发电薄膜隔开。这种电池可以悬挂在户外树木上，在夜间高效吸收环境中的雾气从而进行湿气发电，可点亮一个红光LED灯，如图 9c插图所示。

  3.   结论

  通过在低温碱/尿素体系中分别对3种不同成分的纤维素原料(废纸、纯棉织物和脱脂棉)进行活化再生，并与rGO结合，成功制备了RCe/rGO。纤维素中富含的羟基以及rGO中的含氧官能团在水分子的作用下部分电离，释放出正电性的氢离子和负电性的含氧官能团，从而在离子浓度梯度的作用下产生电动势。结果表明，持续加湿以及过高的相对湿度都会对样品产生负面效果；过饱和吸附湿气后，薄膜电极失去产生脉冲电信号的能力。对比由不同纤维素再生得到的RCe/rGO薄膜发现，3个样品在初期都表现出明显的脉冲电信号，RCe_cf/rGO薄膜产生的电压和电流远小于RCe_ac/rGO和RCe_cf/rGO。其中几乎不含Ⅰ型纤维素的RCe_wp/rGO薄膜在7 000 s的循环周期里稳定输出电流，最大峰值电流可达10 μA，负载电阻器的最高输出功率为2.34 μW·cm^-2，电阻为100 Ω。这主要是因为再生纤维素，尤其是Ⅱ型纤维素的高亲水性和多孔结构，促进了水分子和离子的快速运输与吸附。再进一步分析RCe/rGO薄膜发电的机理发现，金属集流体在湿气下发生的氧化还原反应能协同增大电流和电压。

  
  
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  图 1  湿气发电装置示意图

  Figure 1  Schematic diagram of moisture electric generation device

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  图 2  (a) RCe_wp、(b) RCe_cf和(c) RCe_ac的SEM图

  Figure 2  SEM images of (a) RCe_wp, (b) RCe_cf, and (c) RCe_ac

  Inset: corresponding photos of real RCe wet gel.

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  图 3  RCe_wp、RCe_cf和RCe_ac的XRD图

  Figure 3  XRD patterns of RCe_wp, RCe_cf, and RCe_ac

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  图 4  经过冷冻干燥后得到的(a) RCe_wp、(b) RCe_wp/rGO、(c) RCe_ac/rGO和(d) RCe_cf/rGO的SEM图(e) RCe和rGO之间的氢键示意图

  Figure 4  SEM images of (a) RCe_wp, (b) RCe_wp/rGO, (c) RCe_ac/rGO, and (d) RCe_cf/rGO obtained after freeze-drying; (e) Illustration of hydrogen bond between RCe and rGO

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  图 5  (a) 不同加湿方式收集到的RCe_wp/rGO薄膜的V-t曲线; (b) RCe_wp/rGO薄膜持续加湿的V-t曲线; (c) RCe_wp/rGO薄膜间歇式加湿的V-t曲线; (d) RCe_wp/rGO薄膜在不同RH下测试的V-t曲线

  Figure 5  (a) V-t curves of RCe_wp/rGO film collected under different humidification methods; (b) V-t curves of RCe_wp/rGO film under continuous humidification; (c) V-t curves of RCe_wp/rGO film under intermittent humidification; (d) V-t curves tested under different relative RH

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  图 6  不同种类RCe/rGO在RH为70%时的(a) i-t和(b) V-t曲线; (c) RCe_cf/rGO在最初3 000 s内的i-t曲线; (d) RCe_wp/rGO在最后1 000 s内的i-t曲线; 不同电阻负载下单个RCe_wp/rGO湿气发电输出的(e) V_max和J_max变化曲线和(f) 功率密度曲线

  Figure 6  (a) i-t and (b) V-t curves of different types of RCe/rGO at RH of 70%; (c) i-t curve of RCe_cf/rGO within the initial 3 000 s; (d) i-t curve of RCe_wp/rGO within the last 1 000 s; (e) Output V_max and J_max variation curves and (f) power density curve of a single RCe_wp/rGO film under different resistance loads

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  图 7  没有金属集流体的裸电极和不同金属集流体的(a) i-t和(b) V-t曲线

  Figure 7  (a) i-t and (b) V-t curves of the different metal current collectors

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  图 8  RCe/rGO薄膜发电的机理示意图

  Figure 8  Schematic diagram of RCe/rGO film moisture electricity generation mechanism

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  图 9  (a) Mg-paper-Ni、(b) Mg-RCe/rGO-Ni和(c) 不同电极的i-t曲线

  Figure 9  i-t curves of (a) Mg-paper-Ni, (b) Mg-RCe/rGO-Ni, and (c) different electrodes

  Inset: the luminescence of Mg-RCe/rGO-Ni after collecting moisture at night.

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  表 1  不同电极开路电压、最大瞬时电流和最大功率的相关数据统计

  Table 1.  Statistical data of the open-circuit voltage, maximum instantaneous current, and maximum power of different electrodes

  Sample	Voc / V	Imax / μA	Pmax / mW
  Mg-paper-Ni	1.23	3.06×10-1	3.76×10-4
  50% RH Mg-RCe/rGO-Ni	1.37	1.32×102	1.81×10-1
  90% RH Mg-RCe/rGO-Ni	1.57	6.42×104	1.01×102

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