浙大-平建峰团队︱MXene基纱线，助力智慧农业

环境温湿度、光照强度、水分、盐碱度、作物生理指标……这些参数关系农作物生长，现代农业通过农业信息智能感知技术便可轻松“一网打尽”。

然而实时监测这些指标需要电力驱动，电力无疑是智慧农业蓬勃发展的“源头活水”。田间地头常常难以铺设管线，而电池有限续航能力和污染风险又比较突出。因此发展农业信息“无源感知”是未来智慧农业一大趋势。

为更好地解决这一难题，浙江大学生物系统工程与食品科学学院IBE团队平建峰研究员课题组，提出了一种简便有效的方法，从农业环境中挖掘自然能源并将其高效转化为电能。首次将摩擦纳米发电机技术应用于农用纺织品中，并用于降雨时雨水能的收集，通过能量转化获取电能。

这项研究，近日发表在国际知名期刊Nano Energy（DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104863，），论文第一作者为浙江大学生物系统工程与食品科学学院2020级博士研究生姜成美，通讯作者为平建峰研究员。

图1. 功能化纱线的制备流程及其在农业中的应用场景。

把摩擦纳米发电机装进农用纺织品的纱线里

南方地区经常暴雨成灾，造成农业生产的巨大损失。农用纺织品在大棚设施中最为常见，它能够遮阴挡雨，保护农作物。

如何从农业环境中挖掘能源？

浙大科研人员将这两者巧妙结合，通过纱线表面功能化，将摩擦纳米发电机依附在纱线上，织成智能化农用纺织品，利用雨水冲刷时的电子转移与流动产生电流，源源不断地为智慧农业供能。装载摩擦纳米发电机的纱线可以说是智慧农业的“无源活水”。

这个研究灵感来自一场突如其来的大雨：仲夏时节，一场突如其来的倾盆大雨透过来不及关闭的窗户摧残了窗台边的绿植。这引起了研究人员的思考：“农作物所处的环境只会更恶劣，那么我们就想办法利用它的恶劣。”大棚不仅可以作为作物、动物的“保护伞”，还可以作为雨滴能的收集器。

实验数据显示，在9.5牛顿的连续力作用下，3厘米长的纱线就能产生7.7伏的电压。

平建峰介绍，未来通过连接储能设备，这些被改造的农用纺织品，不仅可以为种植业和畜牧业提供保护以提高农畜产品质量与产量，还可以为物联网感知器件源源不断地输送电能，从而开展农业信息的无源监测和实时提供天气状况。

图2. 功能化纱线在农用纺织品上的应用。

为什么雨滴的能量可以转化成电能呢？

这是因为对农用纺织品的纱线进行了特殊改造。科研人员在其表面覆盖了两层特殊材料——导电的碳化钛纳米材料和不导电的聚二甲基硅氧烷（一种高分子聚合物）。

图3. 功能化纱线收集雨滴能的原理。

该聚合物能够防水并与环境中的雨水发生电子转移。而碳化钛感应电极，不仅具有高导电性能，还因其高电负性可以助力表面聚合物抢夺电子。因此在实现农用纺织品原有的农用保护材料、保温、遮阳、水土保持、排水灌溉、种子培育基材的功能基础上，还能从农业环境中源源不断地获取能源，为智慧农业提供驱动力，实现农业信息“无源实时感知”。

平建峰说，这两种材料具有良好的生物相容性，而且整个制备过程易于规模化和工业化。

这项研究受到了国家优秀青年科学基金（No. 31922063）的资助。

信息来源：MXene笔记