劉汝浩 胡偉科（1．深圳大學(xué)中國經(jīng)濟(jì)特區(qū)研究中心，廣東 深圳518061；．深圳市高新投集團(tuán)有限公司發(fā)展研究中心，廣東 深圳518000）

基于動電效應(yīng)，人們探索將各種能量轉(zhuǎn)化為電能。基于動電效應(yīng)的自儲能器件可被稱為動電自儲能器件，其核心是基于動電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，并由能量儲存材料將電能儲存起來。

以碳納米管、石墨烯為代表的碳納米材料在自儲能器件領(lǐng)域顯現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力?；趧与娦?yīng)的碳納米材料自儲能器件（electrokinetic carbon nanomaterial self-powered de?vice，簡稱EK-CNSPD）相關(guān)研究快速推進(jìn)。本文從發(fā)電原理出發(fā)，綜述了近年來EK-CNSPD 研究進(jìn)展，并對EK-CNSPD 的發(fā)展前景做出了展望。

1 由蒸發(fā)驅(qū)動發(fā)電的EK-CNSPD

Liu等人以碳納米管/聚苯胺復(fù)合材料作為電極活性物質(zhì)、以聚乙烯醇凝膠為電解液，制備了由蒸發(fā)驅(qū)動發(fā)電的EKCNSPD1（圖1a）。該EK-CNSPD 擁有三明治夾心結(jié)構(gòu)，由頂部電極、凝膠電解液、底部電極三部分組成，并且在電極材料、凝膠電解液內(nèi)部存在豐富的毛細(xì)管。隨著頂部電極的液體不斷蒸發(fā)，在毛細(xì)作用下，液體持續(xù)從底部電極經(jīng)過凝膠電解液流向頂部電極，形成定向的液體流動。由于液體和固體材料之間的動電效應(yīng)，液體的定向流動導(dǎo)致兩個電極之間形成流動電流/流動電動勢，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)驅(qū)動發(fā)電。另外，在開路狀態(tài)下，流動電流導(dǎo)致電荷在兩個電極附近累積，而碳納米管/聚苯胺復(fù)合材料具有巨大的雙電層電容和贗電容，實(shí)現(xiàn)電能的儲存；當(dāng)接通外部負(fù)載時，該EK-CNSPD 可將所儲存的電能釋放出來。因此，在蒸發(fā)驅(qū)動液體流動下，該EK-CNSPD 可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電和電能儲存，而且當(dāng)外部負(fù)載為100Ω時，該EK-CNSPD對外輸出的最大電流為1.65mA。

2 由重力驅(qū)動發(fā)電的EK-CNSPD

Gao等人以碳納米管/聚合物復(fù)合材料為電極活性物質(zhì)，制備了紙狀的、由重力驅(qū)動發(fā)電的CNSPD2（圖1b）。當(dāng)該EKCNSPD 被水平放置時，在重力的作用下，該EK-CNSPD 內(nèi)部自發(fā)形成自上而下的液體定向流動；由于液體和固體材料之間的動電效應(yīng)，在該EK-CNSPD兩個電極之間形成流動電流/流動電動勢。另外，當(dāng)把該EK-CNSPD 翻轉(zhuǎn)之后，由重力驅(qū)動實(shí)現(xiàn)發(fā)電的現(xiàn)象得到了較好的重復(fù)。在溫度為24℃、相對濕度為60%的環(huán)境中，該EK-CNSPD對外最大輸出0.15V的電壓。

圖1.多種EK-CNSPD示意圖。a）由蒸發(fā)驅(qū)動發(fā)電的EK-CNSPD1；b）由重力驅(qū)動發(fā)電的EK-CNSPD2；c）由外部濕度差異驅(qū)動發(fā)電的EKCNSPD3；d）由濕潤空氣驅(qū)動發(fā)電的EK-CNSPD4。

3 由外部濕度差異驅(qū)動發(fā)電的EK-CNSPD

Must等人以具有納米結(jié)構(gòu)的碳材料為電極、全氟磺酸膜為隔膜、離子液體為電解液，制備了由外部濕度差異驅(qū)動發(fā)電的EK-CNSPD3（圖1c）。該EK-CNSPD的所有材料具有親水性，能夠從環(huán)境中吸收水分、并允許水分在其內(nèi)部擴(kuò)散；兩個電極處于不同濕度的環(huán)境時，吸水速率不同，導(dǎo)致水分從高濕度電極向低濕度電極擴(kuò)散，從而形成定向的液體流動，并在動電效應(yīng)作用下，形成電流/電動勢。同時，該EK-CNSPD 的碳材料電極具有超級電容器的特性，能夠?qū)a(chǎn)生的電能儲存起來。

4 由濕潤空氣驅(qū)動發(fā)電的EK-CNSPD

與Must 等人的工作不同，Luo 等人使用聚乙烯醇凝膠將兩片碳納米管電極連接起來，并在其中一個電極上復(fù)合了氯化鈣，從而制備了由濕潤空氣驅(qū)動發(fā)電的EK-CNSPD4（圖1d）。已知氯化鈣具有極好的吸濕能力，因此，在同樣的外部濕度環(huán)境中，碳納米管/氯化鈣復(fù)合電極比碳納米管電極擁有更強(qiáng)的吸濕能力，導(dǎo)致碳納米管/氯化鈣復(fù)合電極上的部分氯化鈣吸水、溶解，而氯離子、鈣離子在該EK-CNSPD 內(nèi)部存在明顯的濃度差異，因此，氯離子、鈣離子在離子濃度梯度的作用下從碳納米管/氯化鈣復(fù)合電極向碳納米管電極方向擴(kuò)散，并在動電效應(yīng)作用下，形成電流/電動勢。同時，該EK-CNSPD 的碳納米管電極將產(chǎn)生的電能儲存起來。在相對濕度為80%的環(huán)境下，該EKCNSPD 對外可輸出0.348V 的電壓，最大功率輸出為0.243mW/cm2。

5 結(jié)語

文章梳理了近年來EK-CNSPD研究進(jìn)展，闡釋了其工作原理，并對碳納米材料在其中的作用做了重點(diǎn)介紹。特別的，由碳納米材料制成的電極是EK-CNSPD實(shí)現(xiàn)電能儲存的關(guān)鍵。

然而，目前已被報道的EK-CNSPD 側(cè)重于基礎(chǔ)研究，探索其實(shí)現(xiàn)發(fā)電和儲能雙重功能的可行性、分析其工作原理，距離大規(guī)模的發(fā)電工程應(yīng)用仍有較大的差距。因此，未來需要進(jìn)一步探索如何提高EK-CNSPD的整體能量轉(zhuǎn)化效率，推動其走向?qū)嶋H應(yīng)用。