中國科學家研發(fā)織物基水伏“發(fā)電機”，一滴水實現(xiàn)3600秒穩(wěn)定電流輸出，串聯(lián)可驅動LED設備

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

水不僅對生命至關重要，從另一個角度來看，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，相當于 60PW（1015W）。

于是，科學家們誕生了一個有趣的想法。

如果可以實現(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。

電動力學的發(fā)展激發(fā)了人們對使用納米材料進行水能采集的興趣。通過碳納米結構與不同狀態(tài)的水（流動的、波動的、滴落的或蒸發(fā)的）直接相互作用而生電，導致材料中出現(xiàn)一種新的能量轉換效應，稱之為水伏效應（hydrovoltaic effect）[1]。這種效應與其他能量轉換效應相似，如光伏效應。

近日，深圳大學材料學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)電領域的最新研究與應用展示[2]。

該研究采用的是一項被稱作蒸發(fā)驅動的水伏發(fā)電機（Evaporation-driven moist-electric generators, EMEGs）的新技術，以收集水中的清潔能源。值得關注的是，通過整合多個發(fā)電單元可以產(chǎn)生足夠的功率，從而驅動 LED 設備，或者將能量儲存在超級電容器中。這項研究讓我們看到了從水中持續(xù)提取清潔能源的可行性。

在這項工作中，研究者們采用了一種本征親水的棉紡織品，并對其進行修飾以構建不對稱的微納米分層毛細管系統(tǒng)，作為 EMEG 的主體。當水滴遇到這種紡織的 EMEG 時，水在毛細管作用下自發(fā)流動，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 0.65 伏的電壓和高達 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帶有 LED 屏幕的數(shù)字鐘或點亮一個 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）在織物的一側形成，普通的 PPy 在另一側形成，導致織物兩邊的電位差，這是 EMEG 從水中產(chǎn)電的關鍵。最終的產(chǎn)品標記為 Asy-P@TNWCF。

織物兩側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 顯示出強烈震動的吡咯環(huán)相關峰。此外，在織物一側也觀察到了因聚吡咯過度氧化而產(chǎn)生的羰基基團。同時，X射線光電子能譜（XPS）分峰佐證了紅外光譜的結果，即織物基材上負載了氧化狀態(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，電壓和電流被感應出來。在這個過程中，棉布濕潤一側的水在毛細作用下擴散，輸出也相應增加。然而，一旦棉布完全濕潤，輸出功率信號就會逆轉，隨著時間的推移逐漸增加，達到峰值電流和電壓，分別為 8μA 和 0.65V。該工作還測量了在 Asy-P@TNWCF 的不同側面滴水時產(chǎn)生的電信號。

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，基于實驗現(xiàn)象，作者認為在完全濕潤條件下，Asy-P@TNWCF 上的不對稱 PPy 結構負責能量輸出。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，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，通過這個過程建立的電雙層就像一個平行板電容器，并誘發(fā)了一個電位差，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 EMEG 裝置以提高輸出功率，兩個和三個 Asy-P@TNWCF 的疊加導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。

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

因此，該研究中所設計的裝置有望應用于大面積的水面，如湖泊或水庫，以持續(xù)產(chǎn)生清潔能源；同時，這種水伏發(fā)電設備靈活的設計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構的水伏效應產(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.