一滴水，发了一篇ACS Nano！北理工王博团队：实现单滴水滴在阳光下的持久发电！

随着全球对可持续清洁能源的需求日益增长，蒸发发电（EEG）技术应运而生，它能够将环境中低品位的热能转化为电能。然而，现有的EEG纳米发电机存在一个关键瓶颈：一旦脱离河流、湖泊等大型水体，其发电能力便迅速衰竭，这极大地限制了其在缺乏稳定水源地区的广泛应用。因此，如何仅凭单滴水滴实现持久发电，成为推动该技术走向实际应用的核心挑战。尤其在实际户外场景中，不可避免的太阳照射会因光热效应迅速烘烤设备，抑制其发电能力。

近日，北京理工大学王博教授、马青朗副教授课题组，通过将被动冷却能力与发电能力集成于一种双功能陶瓷材料中，成功解决了上述难题。研究人员开发出一种具有单向分层多孔结构的陶瓷，该结构不仅能调控水的传输，还能增强阳光散射和热辐射发射率。这种自冷却效应使得设备即使在强烈阳光下也能持续保持低于环境温度，峰值降温可达14.2°C。基于此，该陶瓷纳米发电机在780 W m⁻²的户外太阳光强度下，仅用100微升水便能产生2.1V的电压，并持续发电长达36分钟。这项工作展示了仅凭单滴水滴即可实现被动冷却驱动的持久发电，解决了EEG技术实际应用中的关键缺陷。相关论文以“Passive Cooling Enabled Enduring Electricity Generation with a Single Water Droplet under Solar Exposure”为题，发表在ACS Nano上。

研究团队选用天然矿物埃洛石作为理想材料，通过定向冰模板和煅烧两步法，制备出了具有独特单向排列和分层孔隙的陶瓷板（D-陶瓷）。扫描电镜图像清晰显示了其宽度约3-5微米的一维主通道，以及由堆叠的埃洛石纳米棒构成的次级毛细管孔隙。这种结构不仅赋予了陶瓷高孔隙率和优异的亲水性，还使其具备了卓越的机械强度。当在传统的“本体操作模式”（设备部分浸入大量水中）下测试时，D-陶瓷基设备能够产生平均0.62V的开路电压，并稳定持续超过27小时，证实了其优异的EEG性能。其发电能力归功于材料表面的负电荷以及独特的多孔结构，后者促进了高浓度水合氢离子的形成及其在蒸发驱动力下的定向运输。

示意图1： 一种具有定向分层多孔结构的双功能陶瓷，集成了被动日间冷却（PDC）和蒸发发电（EEG）能力，实现了在直射阳光下用水滴进行持久发电。

图1. D-陶瓷的结构和EEG性能。 (a) D-陶瓷的低倍扫描电镜图像和(b)高倍扫描电镜图像。(c) D-陶瓷和R-陶瓷的孔隙体积分布。(d) EEG设备在本体操作模式下测试的示意图。设备的底部电极浸入水中，水位与底部电极齐平。(e) D-陶瓷在“本体操作模式”下测试的开路电压。(f) 分层孔隙和发电机制示意图。

为了深入探究发电机制，研究人员通过改变煅烧温度调节了陶瓷的表面zeta电位，发现其与输出电压和短路电流呈现相同的火山形变化趋势，在1200°C时达到最优。与具有随机孔隙结构的陶瓷（R-陶瓷）相比，D-陶瓷表现出更高的电压和电流输出，以及更低的离子传输电阻。有限元模拟结果进一步证实，D-陶瓷中高度单向的流线与更高的水合氢离子通量，导致了从底部电极到顶部电极逐渐增加的离子浓度梯度，从而产生了更高的模拟电位，这与实验结果高度一致。这种纳米发电机可像电池一样工作，为小型电子设备供电。

图2. EEG机制的实验和模拟研究。 (a) 不同煅烧温度下陶瓷的开路电压和(b)短路电流。(c) 不同孔隙结构和角度下陶瓷的开路电压和(d)短路电流。(e) D-陶瓷的结构示意图。有限元模拟：(f) 流线及通量分布，(g) 水合氢离子浓度分布，和(h) D-陶瓷的电势分布。(i) R-陶瓷的结构示意图。有限元模拟：(j) 流线及通量分布，(k) 水合氢离子浓度分布，(l) R-陶瓷的电势分布。

在更贴近实际无大量水源的“液滴操作模式”下，该技术的优势更为凸显。仅使用30微升水，D-陶瓷基设备就能产生约2V的稳定电压近23分钟，直至水滴蒸干，性能远优于R-陶瓷。研究还考察了陶瓷尺寸、环境湿度、水质（如盐浓度）等因素对发电性能的影响，并展示了单个设备可为商业电容器快速充电，通过串并联组合更能提升输出电压和电流，展现了其实际应用潜力。

图3. D-陶瓷在液滴操作模式下的EEG性能。 (a) 液滴操作模式下发电示意图。(b) D-陶瓷和R-陶瓷使用30微升水的开路电压实时记录。(c) D-陶瓷使用不同体积水滴的开路电压实时记录。(d) D-陶瓷与文献中代表性设备的发电持续时间和开路电压比较。(e) D-陶瓷和R-陶瓷的持水能力。(f) 使用150微升水时，不同孔隙结构和角度的陶瓷的开路电压。(g) 单个设备在液滴操作模式下为不同商业电容器充电的电压-时间曲线。(h) 多个独立设备串联或并联时在液滴操作模式下的开路电压和短路电流。

除了发电，这种陶瓷卓越的被动日间冷却性能是其成功的关键。得益于埃洛石丰富的Al-O和Si-O-Si化学键（其吸收峰位于大气透明窗口内）以及独特的结构带来的强光散射能力，D-陶瓷在太阳光谱范围（0.3-2.5微米）的反射率高达0.99，在大气透明窗口（8-13微米）的红外发射率达0.98。户外实测表明，在强太阳光下，D-陶瓷能实现平均7.9°C、峰值14.2°C的降温效果，其净冷却功率测量值达120 W m⁻²，性能位居报道的辐射冷却材料前列。

图4. D-陶瓷的被动日间冷却性能表征。 (a) D-陶瓷在太阳光谱范围的反射率和(b)在大气透明窗口范围的发射率光谱。(c) D-陶瓷最常见孔隙（1.9微米）对0.4微米入射光波长的散射场分布模拟。(d) R-陶瓷的孔隙（0.2微米）对相同波长光的散射场分布模拟。(e) 埃洛石颗粒作为可见光二次散射中心的示意图。(f) D-陶瓷和(g) R-陶瓷在整个太阳光谱范围内的散射效率模拟。(h) 太阳光谱能量分布。

图5. 户外被动冷却性能评估。 (a) 被动冷却测试装置示意图。户外辐射冷却测试在中国北京进行：(b) 2025年4月2日10:30至14:30，(c) 2025年4月2日17:30至22:00。(d) D-陶瓷与文献中先前报道材料的冷却性能比较。(e) D-陶瓷的净冷却功率测试。户外辐射冷却测试于2025年4月25日13:10至14:10在北京进行。(f) 计算的不同环境热导和对流条件下净冷却功率随温降的变化关系。

最终，研究团队将发电与冷却能力结合，在真实的户外阳光下测试了设备的性能。令人印象深刻的是，即使在780 W m⁻²的中午强光下，D-陶瓷仅用100微升水便能产生超过2.1V的电压并持续约36分钟，其发电时长和电压与遮光条件下相比仅有轻微下降。与此形成鲜明对比的是，传统的还原氧化石墨烯泡沫基设备在阳光下因光热效应导致性能急剧衰退。通过设计一个概念验证系统，利用微量水滴持续供给，该设备成功实现了超过4天（96小时）的稳定电压输出，总耗水量仅3.86毫升。

图6. 被动冷却实现的EEG性能。 (a) 本体操作模式下，D-陶瓷在受控温度下的开路电压。(b) 使用100微升水滴，D-陶瓷在20°C和60°C下的开路电压。(c) 2025年4月2日13:35起，D-陶瓷使用100微升水在直射阳光下的开路电压实时测量。(d) 在强光下，与rGO泡沫在液滴操作模式下的性能对比。(e) 使用自动进样器（进样速率650 nL min⁻¹）的概念验证应用。插图：装置示意图。

总而言之，这项研究通过将被动冷却与蒸发发电功能创新性地集成于一种双功能陶瓷中，成功实现了在强烈阳光下仅用单滴水滴进行持久发电的目标。该策略通过协同优化水传输路径和被动冷却性能，为解决EEG技术在实际部署中的关键短板提供了有效的解决方案，为开发新一代地理环境适应性更强的分布式可持续电源开辟了新的道路。