青島エネルギーによりバイオベースナノファイバーエアロゲル発電装置を作製した。

エネルギー危機と環境問題の激化に伴い、グリーン、再生可能エネルギーデバイスの研究と応用は全世界の注目を集めています。その中で、太陽エネルギー、熱エネルギー、機械エネルギー、風力エネルギー、バイオ電気化学エネルギーなどが相次いで発電に使われています。自給電システムと着用可能な分野で幅広い応用が期待されています。しかし、上記のエネルギー形式は、例えば太陽光発電装置には継続的な光照射が必要であり、摩擦または圧力発電には継続的な相対運動が必要であり、材料と装置の機械的性能には高い要求がある。

最近、湿気は自然界と生物過程で広く存在する資源として発電に使われています。自然界で発電に利用できる資源を広げています。しかし、現在の湿気発電は主に炭素ナノ材料と水（水蒸気）の相互作用によって実現されている。例えば，曲良体などが酸化グラフェン薄膜を電気化学的方法で処理した後，膜の上下表面の酸素含有官能基は制御可能な勾配分布状態を示した。この酸素含有官能基の勾配分布構造は，薄膜が湿気に接触すると，上下表面の湿度も勾配配置を示し，これは正と負の電荷分離を引き起こし，配向移動を起こし，上下の表面に0.2 Vの電位差を生じさせる。しかし、炭素ナノ材料のマクロ量の調製は困難度が高く、コストが高く、複雑なデバイス構造も大規模な応用に影響を与えた。低コストで高性能な湿気発電材料とデバイスの研究開発は依然としてこの分野の研究の重点と難点である。

一方、自然界では、多くの生体や人体の生理過程において、体液・組織液に基づく生体電気現象が伴っています。例えば、樹液は幹の中を下から上に運ぶと流動電位が発生し、細胞膜は内外のイオンと濃度の違いにより、膜をまたぐポテンシャルが存在する。バイオマスの生産量が大きく、安価で緑色で再生可能であるにもかかわらず、バイオベースの材料と水／湿気の相互作用を利用して発電装置を作製することは、依然として大きな課題を持っている。

最近、中国科学院青島生物エネルギー・プロセス研究所の李朝旭研究グループが発見した。バイオマスナノ繊維（セルロースナノ繊維、シルクナノ繊維、甲殻素ナノ繊維、Amyloidナノ繊維など）エアロゲルは良好な空気吸湿性能を持っている。これは主に生物ベースのナノ繊維材料の表面が豊富な親水性基（例えば、ヒドロキシル基、カルボキシル基、テタニウム基、アミノ基など）を有している一方で、ケルビン毛細管凝縮原理に基づいて、ナノ繊維の小さいサイズ効果（直径一般的には<10 nm）及び凝縮ゴムの階層的な細孔構造が蒸気の凝結に有利であるからである（図1）。このため、一定の湿度（相対湿度＞50%）を持つ気流がこのエアロゲルを通過すると、蒸気は水と自由水を結合する形でエアロゲルに捕獲され、繊維表面カルボキシ基などの基団が解離して、さらに繊維表面に二重電気層が形成され、エアロゲルの前後に湿度差があり、先端の湿気凝縮は後端の水分蒸発と平衡に達し、エアロゲル内部表面と細道中の溶液流は流動電位を形成し、バイオベースナノ繊維の湿気を生成する。さらに研究した結果，この発電機は基本的にスモルホフス基の流れポテンシャル定式化（図2）に適合していることがわかった。

　　本研究で作成したバイオベースナノファイバーエアロゲル発電器は、コストが低く、生体適合性が高く、分解性が高いなど多くの利点があり、バイオナノ繊維は農林と漁業廃棄物を原料として調製することができる。この装置は小型の装着可能な電子部品の電力供給に適しており、また人体活動（呼吸、汗など）に湿気が発生するため、その発電信号は活動の激しい状況と密接に関係している可能性があり、自給電健康監視装置に応用できると期待されている。この研究は最近の「先進機能材料」誌に発表された。