水滴還能這樣發(fā)電！解鎖水伏發(fā)電技術(shù)新模式

出品：科普中國

作者：石暢（物理化學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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電的發(fā)明無疑是一場深刻的革命，從愛迪生發(fā)明的電燈到現(xiàn)在各種各樣的電子設(shè)備，電的出現(xiàn)不僅點亮了漆黑的夜晚，更推動了工業(yè)、科技乃至整個社會的飛速發(fā)展。那么你知道我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫碾娛菑哪膩淼膯幔?/p>

發(fā)光的燈泡

（圖片來源：veer圖庫）

在歷史的長河中，人們想盡一切辦法從環(huán)境中獲得電能，發(fā)電技術(shù)也隨著科技的進(jìn)步變得越來越多樣化。目前電的來源主要有火力發(fā)電、水力發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能熱發(fā)電等。

火力發(fā)電是目前最主要的發(fā)電方式之一，全球一半以上的電來自火力發(fā)電?；鹆Πl(fā)電利用煤、石油、天然氣等化石燃料燃燒產(chǎn)生的熱能來發(fā)電。燃料在鍋爐中燃燒，加熱水生成水蒸汽，蒸汽的壓力推動汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，實現(xiàn)了化學(xué)能-熱能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)化。

水力發(fā)電的原理是利用水位的落差。水從高處流向低處時，通過水輪機(jī)將勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。水力發(fā)電是一種清潔、可再生的能源利用方式。

水力電廠大壩

（圖片來源：veer圖庫）

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式。當(dāng)太陽光照射到太陽能電池板上時，光子激發(fā)半導(dǎo)體中的電子，形成電流。光伏發(fā)電具有環(huán)保、無噪音、可持續(xù)等優(yōu)點，是近年來發(fā)展迅速的可再生能源技術(shù)。

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在風(fēng)的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并且通過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電同樣是一種清潔、可再生的能源利用方式，且資源分布廣泛。

可再生能源發(fā)電

（圖片來源：veer圖庫）

核能發(fā)電的能量來源是核裂變或核聚變。目前商業(yè)化的核能發(fā)電主要基于核裂變反應(yīng)，該反應(yīng)可以釋放出大量的熱能，用于加熱水產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。核能發(fā)電具有能量密度高、污染小等優(yōu)點，但也存在安全風(fēng)險和技術(shù)難題。

太陽能熱發(fā)電與光伏發(fā)電的原理不同，利用的是太陽輻射能。太陽輻射能通過集熱器轉(zhuǎn)換為熱能，然后利用熱能加熱介質(zhì)，從而驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。太陽能熱發(fā)電具有儲能能力強、發(fā)電穩(wěn)定等優(yōu)點。

探索微觀世界的水伏發(fā)電技術(shù)

水伏發(fā)電是近幾年新興的一種清潔能源發(fā)電技術(shù)，與傳統(tǒng)的水力發(fā)電不同，水伏發(fā)電利用了微觀世界中功能性材料與水滴、水蒸氣、大氣濕度等的相互作用產(chǎn)生電能，將水中的能量直接轉(zhuǎn)化為電能。

葉片上的水滴

（圖片來源：veer圖庫）

隨著納米材料的飛速發(fā)展，水伏發(fā)電技術(shù)也越來越多樣化。例如，將石墨烯材料從液體中取出，在石墨烯材料穿過水面時會產(chǎn)生電場，實現(xiàn)對外界放電。

此外，將水滴滴在納米材料（多孔碳膜、多孔氧化銅納米線膜等）的一側(cè)，由于毛細(xì)滲透作用，水滴會跑到材料的另一側(cè)，水滴流動的過程中也會有電能的輸出。

傳統(tǒng)的水滴發(fā)電設(shè)備會隨著材料表面的完全潤濕而失去發(fā)電的能力，發(fā)電時間只能維持幾分鐘，在實際應(yīng)用中有很大的局限性。那么是否可以打破傳統(tǒng)，延長水滴發(fā)電設(shè)備的工作時間呢？

新型水滴發(fā)電材料問世

2024年7月15日，中國科學(xué)家在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于二維納米通道中上游質(zhì)子擴(kuò)散產(chǎn)生電能的研究工作。該技術(shù)打破了傳統(tǒng)水滴發(fā)電中，離子移動方向與水流動方向一致的模式，提高了水滴發(fā)電的效率和持續(xù)時間。

研究成果發(fā)表于《Nature Nanotechnology》雜志

（圖片來源：《自然-納米技術(shù)》雜志）

研究者利用真空過濾技術(shù)將MXene（Ti3C2Tx）和PVA（聚乙烯醇）混合溶液進(jìn)行過濾，并將過濾物放置在空氣中干燥，最終得到MXene/PVA復(fù)合膜（MPCF）。該復(fù)合膜與電極共同組成水滴發(fā)電裝置。

這張薄膜為什么如此神奇？

MXene是一種新興的二維納米材料，該類材料由過渡金屬（鈦、釩、鋯等）與非金屬元素（碳、氮）組成，具有片與片堆疊的層狀三維結(jié)構(gòu)，與石墨烯材料類似。MXene具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，廣泛應(yīng)用于傳感器、電磁屏蔽器等領(lǐng)域。

PVA是一種常用的高分子聚合物，中文名字是聚乙烯醇，通常被用作粘結(jié)劑和包裹劑。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫哪竟つz和固體膠棒的成分中就有大量的聚乙烯醇。

MPCF器件的工作原理圖和通道結(jié)構(gòu)圖；b.高角度環(huán)形暗場掃描電鏡圖；c.電壓和電流隨時間變化圖；d.發(fā)電裝置的性能對比圖；e-f.水滴位置與發(fā)電的電壓關(guān)系圖.

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

為揭示MXene/PVA復(fù)合膜在水滴發(fā)電中的作用，研究者對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的表征。結(jié)果表明，該復(fù)合膜中的MXene納米片被PVA包裹并堆疊成良好排列的層狀納米結(jié)構(gòu)，層狀納米結(jié)構(gòu)中存在一些通道，為水滴和離子的移動提供了通路。

此外，該復(fù)合膜的納米通道內(nèi)部含有大量的含氧官能團(tuán)（存在于有機(jī)物分子中的特定原子或原子團(tuán)，決定了有機(jī)物的化學(xué)性質(zhì)），含氧官能團(tuán)可以與水反應(yīng)生成大量質(zhì)子，質(zhì)子在水滴發(fā)電過程中扮演著重要的角色。

MXene/PVA復(fù)合膜是如何發(fā)電的呢？

研究者將兩個鉑電極插在復(fù)合膜的左右兩側(cè)，組成了基于MXene/PVA復(fù)合膜的水滴發(fā)電裝置模型，并且通過分子動力學(xué)模擬的方法揭示了水滴與復(fù)合膜間的相互作用與發(fā)電的原理。

當(dāng)水滴滴在復(fù)合膜和左側(cè)電極的連接處時，由于毛細(xì)滲透作用，水滴進(jìn)入復(fù)合膜內(nèi)部的孔道，并且形成從左到右的“水流”。

復(fù)合膜內(nèi)部通道的水分子與含氧官能團(tuán)反應(yīng)生成質(zhì)子，導(dǎo)致通道中的質(zhì)子濃度增加，與水滴形成質(zhì)子的濃度差。該濃度差驅(qū)動質(zhì)子向上游低濃度的水滴中移動，從而在左側(cè)電極聚集大量的質(zhì)子，導(dǎo)致左側(cè)電極的電勢高于右側(cè)。當(dāng)兩個電極被導(dǎo)線接通時，電子從右側(cè)電極向左側(cè)電極傳導(dǎo)，從而產(chǎn)生電流。

a.MPCF發(fā)電原理示意圖；b.分子動力學(xué)模擬過程；c.質(zhì)子數(shù)隨時間變化圖；d.MPCF中水和質(zhì)子濃度分布圖；e.質(zhì)子濃度隨時間的變化.

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

實驗測試結(jié)果表明，在復(fù)合膜上滴5微升的水就可以產(chǎn)生超過400毫伏的電壓，并且經(jīng)過330分鐘后，電壓仍然能保持在300毫伏以上。當(dāng)水滴的體積增加到10微升，20微升，30微升后，發(fā)電時間可分別延長至500分鐘，630分鐘和830分鐘。

應(yīng)用前景

MXene/PVA復(fù)合膜具有厚度薄和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)勢，集成的微型發(fā)電設(shè)備的體積小于0.1立方厘米，在小型化、自供電系統(tǒng)中具有重要的價值。

運動手環(huán)

（圖片來源：veer圖庫）

含有該復(fù)合膜的水滴發(fā)電設(shè)備可以被集成在衣服中，使用者運動20分鐘后，發(fā)電設(shè)備吸取的水分能產(chǎn)生約350毫伏的電壓和約2微安的電流，并且可以持續(xù)20分鐘。當(dāng)利用人體汗液（含有氯化鈉）發(fā)電時，水滴發(fā)電設(shè)備的供電時間可以延長至30天。

試想一下，如果你佩戴了一個水滴發(fā)電供能的手環(huán)，那就不必再為續(xù)航擔(dān)憂了，即使在不運動的情況下，滴幾滴水或者從環(huán)境中吸收水分就可以充電，為我們生活提供便利的同時還達(dá)到了節(jié)約電能的目的。

結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步與創(chuàng)新，人類正逐步實現(xiàn)自然資源向可持續(xù)能源的轉(zhuǎn)變。讓我們攜手并進(jìn)，在探索與實踐中不斷前行，共同見證水伏發(fā)電技術(shù)從夢想走進(jìn)現(xiàn)實的輝煌時刻。

參考文獻(xiàn)：

1.Xia, H., Zhou, W., Qu, X. et al. Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels[J]. Nat. Nanotechnol, 2024.

2.Xu, W., Zheng, H., Liu, Y. et al. A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density[J]. Nature, 2020.

3.馮思佳,李連輝,劉夢愿,等.可編織柔性纖維狀水伏納米發(fā)電機(jī)[J].中國科學(xué):技術(shù)科學(xué), 2022.

4.張繼軍,張璞.水伏感應(yīng)發(fā)電技術(shù)及其在航標(biāo)上的應(yīng)用方案[J].中國海事, 2020.