清华大学程虎虎/曲良体团队：把能源“织”进衣服——石墨烯纤维可穿戴能量采集器研究进展

从阳光、温差到空气中的湿气，环境中无处不在的能量能否被一根柔软的纤维捕获，并转化为可穿戴电子设备所需的电能？近日，清华大学光天磊、程虎虎、曲良体在 New Carbon Materials 发表综述文章“Wearable energy harvesters based on graphene fibers”，系统梳理了石墨烯纤维制备及其在可穿戴能量采集器中的研究进展。

研究背景

可穿戴电子、柔性传感、智能织物和人机交互设备正在快速发展。与传统刚性电源相比，这类系统更需要轻质、柔性、可弯折、可编织且能够稳定输出电能的能源单元。如何让能源器件从“外挂式电池”变成能够与衣物、纤维和人体活动环境自然融合的“纤维状电源”，是柔性电子领域的重要问题。

石墨烯具有高电子迁移率、高热导率、大比表面积和优异力学性能，但单层二维片材要真正进入宏观器件，必须被有效组装为可操作、可编织、可集成的宏观结构。石墨烯纤维正是在这一背景下发展起来的新型碳基纤维材料。通过将石墨烯或氧化石墨烯片层沿纤维轴向有序组装，石墨烯纤维兼具高强度、导电导热性、柔韧性和可功能化能力，为下一代柔性与可穿戴能量器件提供了重要材料平台。

近年来，石墨烯纤维的力学强度、导电性、导热性和结构可设计性不断提升，相关器件已从轻质导线拓展到纤维状太阳能电池、热电发电器和湿气发电器等方向。与平面器件相比，纤维状器件更容易编织成织物、贴合复杂表面并实现多方向能量采集，因此在可穿戴自供能系统中展现出独特优势。

工作简介

该综述首先回顾了石墨烯纤维的主要制备方法，包括湿法纺丝、限域水热合成、化学气相沉积以及干法纺丝、“湿—干”混合纺丝、电泳拉伸、电纺和溶剂触发融合/分裂等新兴策略。文章指出，石墨烯纤维性能提升的关键在于两个层面：一是实现石墨烯片层沿纤维轴向的可控取向，二是增强相邻片层之间的界面结合。片层尺寸调控、缺陷工程、离子或共价交联、炭化/石墨化后处理等方法，都是提升纤维强度、导电性、导热性和稳定性的重要途径。

图1  石墨烯纤维的典型制备策略及其在轻质导线、纤维状太阳能电池和湿气发电器件中的应用示意图

随后，该综述围绕“从材料到器件”的逻辑，重点讨论了石墨烯纤维在能量采集方向的应用。作为轻质导线，石墨烯纤维可通过金属纳米线复合、分子掺杂和缺陷调控等方式显著提高导电能力，并在柔性电路、透明导电网络和磁性纤维等方向展现潜力。作为纤维状能量采集器，石墨烯纤维可以分别面向太阳能、热能和湿气能进行器件设计：在纤维状太阳能电池中，石墨烯复合纤维可作为柔性导电电极；在热电发电器中，其高导电性、可调结构和柔性特征有利于构筑可穿戴热电单元；在湿气发电器中，梯度含氧官能团、内建电势和定向离子迁移等设计，使其能够利用环境湿气产生电压和电流。

最后，该综述从实际应用角度总结和展望了石墨烯纤维可穿戴能量采集器的发展方向。文章认为，石墨烯纤维要进一步走向应用，仍需解决规模化制备、批量质量一致性、复杂环境下的性能稳定性、成本控制以及与现有碳纤维/导电纤维技术竞争等问题。未来研究可从新型前驱体开发、片层取向精准调控、界面结构设计、后处理工艺优化、原位表征和计算模拟等方面继续推进，为柔性自供能织物、智能传感、人机交互和生物电子系统提供更可靠的材料和器件基础。

文章信息

光天磊，程虎虎，曲良体.石墨烯纤维基可穿戴能量采集器 [J]. 新型炭材料（中英文）, 2026, 41 (3): 537-550.

Tianlei Guang, Huhu Cheng, Liangti Qu. Wearable energy harvesters based on graphene fibers [J]. New Carbon Materials, 2026, 41 (3): 537-550.

DOI:10.1016/S1872-5805(26)61078-5

通讯作者简介

程虎虎，清华大学化学系副研究员，2016年获北京理工大学博士学位，随后在清华大学从事博士后研究，2018年至2023年任清华大学助理研究员，2024年1月至今任清华大学副研究员。主要从事低维纳米材料的制备、改性和组装调控，激光微纳加工，以及新型环境能量转化、先进能源存储等方面研究；具体方向包括碳基/高分子基先进功能材料（如石墨烯等）、水汽发电与水汽驱动、高效水蒸发、激光微纳制造和可穿戴能量存储等。曾获国家优秀青年科学基金（2020年）、清华大学先进工作者（2022年）、Outstanding Early Career Investigator in Nanoscience Award/IOP（2022年）、Nano Research Energy Best Editor Award（2023年）等荣誉。