Nat. Nanotech. | 文献回溯 | 首篇蒸发发电

【研究背景】

水蒸发是一个普遍存在的自然过程，它从环境中获取热能。纳米碳材料以其大比表面积，及亲疏水性可调，含多级微孔结构等特点使纳米碳材料有丰富的毛细孔道，在水溶液中能通过毛细作用吸附水分子，从而实现水分子在孔道中的渗透。流体在多孔介质中流动,由于双电层的存在,流体产生流动电位现象，这个双电层的运动边界诱发介质材料中的电荷转移，相当于一个局部的发电机。

文章通讯作者为华中科技大学周军教授与南京航空航天大学郭万林教授，相关内容以“Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials”为题在《Nature Nanotechnology》（JCR一区，TOP，IF2022=38.3）上发表。

【文章解读】

该团队发现纳米碳材料表面的水蒸发过程能够诱导产生电能，室温下，厘米级尺寸炭黑片表面的水蒸发过程可产生约1V的电压。与蒸发行为具有相似性，温度，环境湿度、和液体表面的气流速度都会引起诱导电压的变化。这归因于水分子与碳原子层之间的相互作用，及其蒸发过程中水分子在纳米碳层间的流动诱导了电压的产生，这一过程类似于传统的流动电势，在压力梯度下驱动离子溶液通过狭缝或多孔介质从而使其两侧产生电位差。

图1. 碳黑材料（CB）蒸发发电的设计理念

石墨烯片层上水分子吸附而引起的电荷重新分布进行密度泛函理论（DFT）的计算。当具有C-O-C基团的石墨烯薄片被三层水覆盖时，在水/石墨烯界面形成特定的双电层，石墨烯层中的电子损耗约为0.7e。相比之下，当去除C-O-C基团时，电子损耗降至0.0003e。为证明是CB片层间水蒸发流动诱导产生电压，该团队通过实验设计使底部的CB片层连接的双电极被PE膜密封（无蒸发），顶部与环境接触。无气流条件下诱导电压为0.16V，随气流流速增大电压可增至0.27V，因此电压的增大归因于水分子沿多孔的CB片层毛细蒸发作用。

图2. 蒸发发电的机制探究

通过多个设备的串、并联连来进一步放大设备的能量输出。当四个小型设备串联连接，蒸发诱导电位可以按比例放大到4.8 V、可以为复杂画面的液晶显示器（LCD）供电。当四个装置并联时，蒸发诱导的电流可达到～380 nA。

图3. 蒸发发电的规模化应用启发

【文章总结】

该文率先发现水在炭黑材料中利用毛细作用吸附并蒸发，形成自发产生的电压。这种水分子蒸发诱导生电现象同样发生在多壁碳纳米管膜，乙炔炭黑，甲苯炭黑和蜡烛灰等碳材料中，诱导电压也随材料的亲水性、比表面积及微纳结构不同而有差异。相较传统的流动电势需要有附加压力差、温度差或浓度差等条件存在下产生，文中的蒸发发电只是从环境蒸发吸热的自发过程，无附加能量输入。

该文的提出为光热界面蒸发＋蒸发发电提供理论和实验依据，光热和蒸发发电的耦合是否会有利于发电？受激蒸发发电的电压的变化趋势如何？这些问题有的已被解决，有的依然需要我们探究。

【文献来源】

Xue, G., Xu, Y., Ding, T.et al. Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials. Nature Nanotech 12, 317–321 (2017).

https://doi.org/10.1038/nnano.2016.300

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