中国科学家研发织物基水伏“发电机”，一滴水实现三千六百秒稳定电流输出，串联可驱动LED设备

2022-03-26

海外星云 2022年4期

关键词：织物发电机电流

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）。

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。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，发表题为《Textile-basedasymmetrichierarchicalsystemsforconstanthydrovoltaicelectricitygeneration》的论文，以展示其在水伏发电领域的最新研究与应用展示。

该研究采用的是一项被称作蒸发驱动的水伏发电机的新技术，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，作为蒸发驱动的水伏发电机的主体。当水滴遇到这种纺织的蒸发驱动的水伏发电机时，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。

許多蒸发驱动的水伏发电机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蒸发驱动的水伏发电机存在的一些问题，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。

如图展示了研究所使用的蒸发驱动的水伏发电机的制备过程。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，这是蒸发驱动的水伏发电机从水中产电的关键。最终的产品标记为Asy-P@TNWCF。

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。

在蒸发驱动的水伏发电机产电测试中，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蒸发驱动的水伏发电机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。