中國科學(xué)家研發(fā)織物基水伏“發(fā)電機(jī)”，一滴水實(shí)現(xiàn)3600秒穩(wěn)定電流輸出，串聯(lián)可驅(qū)動(dòng)LED設(shè)備

水，是生命之源，是自然界最常見的物質(zhì)；綠色能源，是人類可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。

水不僅對(duì)生命至關(guān)重要，從另一個(gè)角度來看，也是地球上最大的能量載體。水覆蓋了地球表面的 71%，消耗了地球接收到的大約 35% 的太陽能，相當(dāng)于 60PW（1015W）。

于是，科學(xué)家們誕生了一個(gè)有趣的想法。

如果可以實(shí)現(xiàn)收集水所包含的巨大能量的一小部分，它將很容易滿足全球 18TW（1012W）的能源需求。

電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展激發(fā)了人們對(duì)使用納米材料進(jìn)行水能采集的興趣。通過碳納米結(jié)構(gòu)與不同狀態(tài)的水（流動(dòng)的、波動(dòng)的、滴落的或蒸發(fā)的）直接相互作用而生電，導(dǎo)致材料中出現(xiàn)一種新的能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)，稱之為水伏效應(yīng)（hydrovoltaic effect）[1]。這種效應(yīng)與其他能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)相似，如光伏效應(yīng)。

近日，深圳大學(xué)材料學(xué)院的陳仕國教授和王元豐助理教授作為共同通訊作者，在 Chemical Engineering Journal 上發(fā)表題為《Textile-based asymmetric hierarchical systems for constant hydrovoltaic electricity generation》的論文，以展示其在水伏發(fā)電領(lǐng)域的最新研究與應(yīng)用展示[2]。

該研究采用的是一項(xiàng)被稱作蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)（Evaporation-driven moist-electric generators, EMEGs）的新技術(shù)，以收集水中的清潔能源。值得關(guān)注的是，通過整合多個(gè)發(fā)電單元可以產(chǎn)生足夠的功率，從而驅(qū)動(dòng) LED 設(shè)備，或者將能量儲(chǔ)存在超級(jí)電容器中。這項(xiàng)研究讓我們看到了從水中持續(xù)提取清潔能源的可行性。

在這項(xiàng)工作中，研究者們采用了一種本征親水的棉紡織品，并對(duì)其進(jìn)行修飾以構(gòu)建不對(duì)稱的微納米分層毛細(xì)管系統(tǒng)，作為 EMEG 的主體。當(dāng)水滴遇到這種紡織的 EMEG 時(shí)，水在毛細(xì)管作用下自發(fā)流動(dòng)，不需要外部電源，從而在一塊尺寸為 2 厘米×5.5 厘米×0.2 毫米的樣品上持續(xù)產(chǎn)生高達(dá) 0.65 伏的電壓和高達(dá) 8 微安的電流。另外，僅 0.16 毫升的水可以誘發(fā)超過 3600 秒的持續(xù)電流輸出。此外，所產(chǎn)生的電力足以操作一個(gè)帶有 LED 屏幕的數(shù)字鐘或點(diǎn)亮一個(gè) LED 燈泡。

許多 EMEG 裝置已經(jīng)使用其他具有高表面 Zeta 電位的材料，如金屬氧化物、金屬有機(jī)框架、硅納米線和 MXene 等，相比于這些材料，該研究較好地解決了目前 EMEG 存在的一些問題，包括機(jī)械性能較差、在可變環(huán)境中輸出不穩(wěn)定、以及完全濕潤時(shí)效率下降。

上圖展示了研究所使用的 EMEG 的制備過程。首先，使用一個(gè)簡單的浸漬過程將 TiO2 納米線涂在棉織物上。然后，通過原位聚合將聚吡咯（PPy）修飾在 TiO2 改性的織物上。在聚合過程中，過氧化的聚吡咯（OPPy）在織物的一側(cè)形成，普通的 PPy 在另一側(cè)形成，導(dǎo)致織物兩邊的電位差，這是 EMEG 從水中產(chǎn)電的關(guān)鍵。最終的產(chǎn)品標(biāo)記為 Asy-P@TNWCF。

織物兩側(cè)存在的不同氧化程度的聚吡咯，這種差異通過一些表征手段可以很清晰地看到。上圖展示了織物的傅里葉變換紅外光譜（FTIR），相比于未經(jīng)聚吡咯處理的樣品，Asy-P@TNWCF 顯示出強(qiáng)烈震動(dòng)的吡咯環(huán)相關(guān)峰。此外，在織物一側(cè)也觀察到了因聚吡咯過度氧化而產(chǎn)生的羰基基團(tuán)。同時(shí)，X射線光電子能譜（XPS）分峰佐證了紅外光譜的結(jié)果，即織物基材上負(fù)載了氧化狀態(tài)不同的 PPy。

在 EMEG 產(chǎn)電測試中，一旦 Asy-P@TNWCF 的一面被潤濕，由于濕的一面和干的一面之間的電位差，電壓和電流被感應(yīng)出來。在這個(gè)過程中，棉布濕潤一側(cè)的水在毛細(xì)作用下擴(kuò)散，輸出也相應(yīng)增加。然而，一旦棉布完全濕潤，輸出功率信號(hào)就會(huì)逆轉(zhuǎn)，隨著時(shí)間的推移逐漸增加，達(dá)到峰值電流和電壓，分別為 8μA 和 0.65V。該工作還測量了在 Asy-P@TNWCF 的不同側(cè)面滴水時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)。

那么要如何解釋在不同潤濕狀態(tài)下 EMEG 均表現(xiàn)出產(chǎn)電能力呢？

簡單來說，基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，作者認(rèn)為在完全濕潤條件下，Asy-P@TNWCF 上的不對(duì)稱 PPy 結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)能量輸出。而在部分潤濕的情況下，自發(fā)的離子吸附立即發(fā)生在潤濕的一側(cè)，造成干濕兩面的電位差。由于 Asy-P@TNWCF 的表面帶正電，氫氧根離子在 Asy-P@TNWCF 表面被吸收并形成電雙層。根據(jù)電雙層理論，通過這個(gè)過程建立的電雙層就像一個(gè)平行板電容器，并誘發(fā)了一個(gè)電位差，而電壓的大小是由表面電荷密度和內(nèi)層厚度決定的。

在應(yīng)用測試中，Asy-P@TNWCF 表現(xiàn)出良好的循環(huán)性，其輸出電壓在連續(xù) 17 個(gè)濕潤/干燥循環(huán)中保持不變。更重要的是，可以通過串聯(lián)多個(gè) EMEG 裝置以提高輸出功率，兩個(gè)和三個(gè) Asy-P@TNWCF 的疊加導(dǎo)致短路電流分別增加到 11 和 18μA，開路電壓可從 0.65V 上升至 1.45 V。

通過堆疊連接多個(gè)器件，產(chǎn)生的功率可以儲(chǔ)存在一個(gè)容量為 1F 的超級(jí)電容器中。此外，所產(chǎn)生的電力足以操作一個(gè)帶有 LED 屏幕的數(shù)字鐘，或點(diǎn)亮一個(gè) LED 燈泡，且即使 Asy-P@TNWCF 完全浸泡在水中，由于 Asy-P@TNWCF 上的 PPy 的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，它也能不斷地發(fā)電。

因此，該研究中所設(shè)計(jì)的裝置有望應(yīng)用于大面積的水面，如湖泊或水庫，以持續(xù)產(chǎn)生清潔能源；同時(shí)，這種水伏發(fā)電設(shè)備靈活的設(shè)計(jì)顯示了其在碳中和能源收集裝置和自供電傳感器中的巨大潛力。并展示了基于碳納米結(jié)構(gòu)的水伏效應(yīng)產(chǎn)生可利用電能的未來圖景，在提升產(chǎn)電功率后，能源的可持續(xù)發(fā)展將向前邁進(jìn)重要一步。

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參考：

1. Zhang Z.; Li X.; Yin J.; Xu Y.; Fei W.; Xue M.; Wang Q.; Zhou J.; Guo W., Emerging hydrovoltaic technology. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, (12), 1109-1119.

2. Xie J.; Wang Y.; Chen S., Textile-based asymmetric hierarchical systems for constant hydrovoltaic electricity generation. Chem. Eng. J. 2022, 431, 133236.