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

水不僅對(duì)生命至關(guān)重要，從另一個(gè)角度來(lái)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(yáng)能，相當(dāng)于60PW（1015W）。

于是，科學(xué)家們誕生了一個(gè)有趣的想法。

如果可以實(shí)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(dòng)力學(xué)的發(fā)展激發(fā)了人們對(duì)使用納米材料進(jìn)行水能采集的興趣。通過(guò)碳納米結(jié)構(gòu)與不同狀態(tài)的水（流動(dòng)的、波動(dòng)的、滴落的或蒸發(fā)的）直接相互作用而生電，導(dǎo)致材料中出現(xiàn)一種新的能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)，稱之為水伏效應(yīng)。這種效應(yīng)與其他能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)相似，如光伏效應(yīng)。

近日，深圳大學(xué)材料學(xué)院的陳仕國(guó)教授和王元豐助理教授作為共同通訊作者，發(fā)表題為《Textile-basedasymmetrichierarchicalsystemsforconstanthydrovoltaicelectricitygeneration》的論文，以展示其在水伏發(fā)電領(lǐng)域的最新研究與應(yīng)用展示。

該研究采用的是一項(xiàng)被稱作蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)的新技術(shù)，以收集水中的清潔能源。值得關(guān)注的是，通過(guò)整合多個(gè)發(fā)電單元可以產(chǎn)生足夠的功率，從而驅(qū)動(dòng)LED設(shè)備，或者將能量?jī)?chǔ)存在超級(jí)電容器中。這項(xiàng)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(xiàng)工作中，研究者們采用了一種本征親水的棉紡織品，并對(duì)其進(jìn)行修飾以構(gòu)建不對(duì)稱的微納米分層毛細(xì)管系統(tǒng)，作為蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)的主體。當(dāng)水滴遇到這種紡織的蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)時(shí)，水在毛細(xì)管作用下自發(fā)流動(dòng)，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(dá)0.65伏的電壓和高達(dá)8微安的電流。另外，僅0.16毫升的水可以誘發(fā)超過(guò)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(gè)帶有LED屏幕的數(shù)字鐘或點(diǎn)亮一個(gè)LED燈泡。

許多蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)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(jī)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蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)存在的一些問(wèn)題，包括機(jī)械性能較差、在可變環(huán)境中輸出不穩(wěn)定、以及完全濕潤(rùn)時(shí)效率下降。

如圖展示了研究所使用的蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)的制備過(guò)程。首先，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的浸漬過(guò)程將TiO2納米線涂在棉織物上。然后，通過(guò)原位聚合將聚吡咯（PPy）修飾在TiO2改性的織物上。在聚合過(guò)程中，過(guò)氧化的聚吡咯（OPPy）在織物的一側(cè)形成，普通的PPy在另一側(cè)形成，導(dǎo)致織物兩邊的電位差，這是蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)從水中產(chǎn)電的關(guān)鍵。最終的產(chǎn)品標(biāo)記為Asy-P@TNWCF。

織物兩側(cè)存在的不同氧化程度的聚吡咯，這種差異通過(guò)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(qiáng)烈震動(dòng)的吡咯環(huán)相關(guān)峰。此外，在織物一側(cè)也觀察到了因聚吡咯過(guò)度氧化而產(chǎn)生的羰基基團(tuán)。同時(shí)，X射線光電子能譜（XPS）分峰佐證了紅外光譜的結(jié)果，即織物基材上負(fù)載了氧化狀態(tài)不同的PPy。

在蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)產(chǎn)電測(cè)試中，一旦Asy-P@TNWCF的一面被潤(rùn)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(yīng)出來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，棉布濕潤(rùn)一側(cè)的水在毛細(xì)作用下擴(kuò)散，輸出也相應(yīng)增加。然而，一旦棉布完全濕潤(rùn)，輸出功率信號(hào)就會(huì)逆轉(zhuǎn)，隨著時(shí)間的推移逐漸增加，達(dá)到峰值電流和電壓，分別為8μA和0.65V。該工作還測(cè)量了在Asy-P@TNWCF的不同側(cè)面滴水時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)。

那么要如何解釋在不同潤(rùn)濕狀態(tài)下蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)均表現(xiàn)出產(chǎn)電能力呢？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，作者認(rèn)為在完全濕潤(rùn)條件下，Asy-P@TNWCF上的不對(duì)稱PPy結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)能量輸出。而在部分潤(rùn)濕的情況下，自發(fā)的離子吸附立即發(fā)生在潤(rùn)濕的一側(cè)，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(guò)這個(gè)過(guò)程建立的電雙層就像一個(gè)平行板電容器，并誘發(fā)了一個(gè)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(yīng)用測(cè)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(gè)濕潤(rùn)/干燥循環(huán)中保持不變。更重要的是，可以通過(guò)串聯(lián)多個(gè)蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏發(fā)電機(jī)裝置以提高輸出功率，兩個(gè)和三個(gè)Asy-P@TNWCF的疊加導(dǎo)致短路電流分別增加到11和18μA，開(kāi)路電壓可從0.65V上升至1.45V。

通過(guò)堆疊連接多個(gè)器件，產(chǎn)生的功率可以儲(chǔ)存在一個(gè)容量為1F的超級(jí)電容器中。此外，所產(chǎn)生的電力足以操作一個(gè)帶有LED屏幕的數(shù)字鐘，或點(diǎn)亮一個(gè)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，它也能不斷地發(fā)電。

因此，該研究中所設(shè)計(jì)的裝置有望應(yīng)用于大面積的水面，如湖泊或水庫(kù)，以持續(xù)產(chǎn)生清潔能源;同時(shí)，這種水伏發(fā)電設(shè)備靈活的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的水伏效應(yīng)產(chǎn)生可利用電能的未來(lái)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(jìn)重要一步。