中国科学家研发织物基水伏“发电机”，一滴水实现3600秒稳定电流输出，串联可驱动LED设备

 

水，是生命之源，是自然界最常见的物质；绿色能源，是人类可持续发展的重要一环。

 

水不仅对生命至关重要，从另一个角度来看，也是地球上最大的能量载体。水覆盖了地球表面的 71%，消耗了地球接收到的大约 35% 的太阳能，相当于 60PW（1015W）。

 

图 | 水滴（来源：Pixabay）

 

于是，科学家们诞生了一个有趣的想法。

 

如果可以实现收集水所包含的巨大能量的一小部分，它将很容易满足全球 18TW（1012W）的能源需求。

 

电动力学的发展激发了人们对使用纳米材料进行水能采集的兴趣。通过碳纳米结构与不同状态的水（流动的、波动的、滴落的或蒸发的）直接相互作用而生电，导致材料中出现一种新的能量转换效应，称之为水伏效应（hydrovoltaic effect）[1]。这种效应与其他能量转换效应相似，如光伏效应。

 

近日，深圳大学材料学院的陈仕国教授和王元丰助理教授作为共同通讯作者，在 Chemical Engineering Journal 上发表题为《Textile-based asymmetric hierarchical systems for constant hydrovoltaic electricity generation》的论文，以展示其在水伏发电领域的最新研究与应用展示[2]。

 

该研究采用的是一项被称作蒸发驱动的水伏发电机（Evaporation-driven moist-electric generators, EMEGs）的新技术，以收集水中的清洁能源。值得关注的是，通过整合多个发电单元可以产生足够的功率，从而驱动 LED 设备，或者将能量储存在超级电容器中。这项研究让我们看到了从水中持续提取清洁能源的可行性。

 

在这项工作中，研究者们采用了一种本征亲水的棉纺织品，并对其进行修饰以构建不对称的微纳米分层毛细管系统，作为 EMEG 的主体。当水滴遇到这种纺织的 EMEG 时，水在毛细管作用下自发流动，不需要外部电源，从而在一块尺寸为 2 厘米×5.5 厘米×0.2 毫米的样品上持续产生高达 0.65 伏的电压和高达 8 微安的电流。另外，仅 0.16 毫升的水可以诱发超过 3600 秒的持续电流输出。此外，所产生的电力足以操作一个带有 LED 屏幕的数字钟或点亮一个 LED 灯泡。

 

图 | 水蒸气发电器件与过程示意图（来源：Chemical Engineering Journal）

 

许多 EMEG 装置已经使用其他具有高表面 Zeta 电位的材料，如金属氧化物、金属有机框架、硅纳米线和 MXene 等，相比于这些材料，该研究较好地解决了目前 EMEG 存在的一些问题，包括机械性能较差、在可变环境中输出不稳定、以及完全湿润时效率下降。

图 | 不对称分布聚吡咯/TiO2 纳米线修饰的纤维制备过程示意图（来源：Chemical Engineering Journal）

 

上图展示了研究所使用的 EMEG 的制备过程。首先，使用一个简单的浸渍过程将 TiO2 纳米线涂在棉织物上。然后，通过原位聚合将聚吡咯（PPy）修饰在 TiO2 改性的织物上。在聚合过程中，过氧化的聚吡咯（OPPy）在织物的一侧形成，普通的 PPy 在另一侧形成，导致织物两边的电位差，这是 EMEG 从水中产电的关键。最终的产品标记为 Asy-P@TNWCF。

 

图 | 不对称分布的聚吡咯修饰的织物示意图及红外光谱分析（来源：Chemical Engineering Journal）

 

织物两侧存在的不同氧化程度的聚吡咯，这种差异通过一些表征手段可以很清晰地看到。上图展示了织物的傅里叶变换红外光谱（FTIR），相比于未经聚吡咯处理的样品，Asy-P@TNWCF 显示出强烈震动的吡咯环相关峰。此外，在织物一侧也观察到了因聚吡咯过度氧化而产生的羰基基团。同时，X射线光电子能谱（XPS）分峰佐证了红外光谱的结果，即织物基材上负载了氧化状态不同的 PPy。

 

图 | EMEG 测试示意图及功率输出结果（来源：Chemical Engineering Journal）

 

在 EMEG 产电测试中，一旦 Asy-P@TNWCF 的一面被润湿，由于湿的一面和干的一面之间的电位差，电压和电流被感应出来。在这个过程中，棉布湿润一侧的水在毛细作用下扩散，输出也相应增加。然而，一旦棉布完全湿润，输出功率信号就会逆转，随着时间的推移逐渐增加，达到峰值电流和电压，分别为 8μA 和 0.65V。该工作还测量了在 Asy-P@TNWCF 的不同侧面滴水时产生的电信号。

 

那么要如何解释在不同润湿状态下 EMEG 均表现出产电能力呢？

 

简单来说，基于实验现象，作者认为在完全湿润条件下，Asy-P@TNWCF 上的不对称 PPy 结构负责能量输出。而在部分润湿的情况下，自发的离子吸附立即发生在润湿的一侧，造成干湿两面的电位差。由于 Asy-P@TNWCF 的表面带正电，氢氧根离子在 Asy-P@TNWCF 表面被吸收并形成电双层。根据电双层理论，通过这个过程建立的电双层就像一个平行板电容器，并诱发了一个电位差，而电压的大小是由表面电荷密度和内层厚度决定的。

图 | asy-P@TNWCF 的应用（来源：Chemical Engineering Journal）

 

在应用测试中，Asy-P@TNWCF 表现出良好的循环性，其输出电压在连续 17 个湿润/干燥循环中保持不变。更重要的是，可以通过串联多个 EMEG 装置以提高输出功率，两个和三个 Asy-P@TNWCF 的叠加导致短路电流分别增加到 11 和 18μA，开路电压可从 0.65V 上升至 1.45 V。

 

通过堆叠连接多个器件，产生的功率可以储存在一个容量为 1F 的超级电容器中。此外，所产生的电力足以操作一个带有 LED 屏幕的数字钟，或点亮一个 LED 灯泡，且即使 Asy-P@TNWCF 完全浸泡在水中，由于 Asy-P@TNWCF 上的 PPy 的不对称结构，它也能不断地发电。

因此，该研究中所设计的装置有望应用于大面积的水面，如湖泊或水库，以持续产生清洁能源；同时，这种水伏发电设备灵活的设计显示了其在碳中和能源收集装置和自供电传感器中的巨大潜力。并展示了基于碳纳米结构的水伏效应产生可利用电能的未来图景，在提升产电功率后，能源的可持续发展将向前迈进重要一步。

 

图 | 通过碳纳米结构从整个水循环中收集能量的愿景（来源：Nature Nanotechnology）

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参考：

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.