Matter：偶极效应增强的液流电流发电机

随着全球能源需求持续增长以及环境问题日益突出，开发绿色、可持续的能源获取技术已成为重要研究方向。液流发电技术能够利用水滴、水流等自然环境中的能量，通过水–固界面电动效应实现机械能到电能的转换，具有结构简单、环境适应性强以及可持续供能等优势。在LSCG中，离子的迁移速率以及离子浓度梯度的稳定性是决定输出性能的关键因素。然而，现有器件往往仅依赖浓度梯度驱动离子迁移，导致电流快速衰减，难以实现持续稳定输出。为解决这一问题，本研究提出一种“材料—界面—电场协同调控策略”。通过构建具有高比表面积和高zeta电位的Al2O3/UIO-66/PVDF复合活性材料，并在器件中引入铁电PVDF薄膜偶极场，显著增强器件内部电场，从而加速离子迁移并延长离子浓度梯度维持时间，实现高性能输出。

图1.图1. LSCG器件结构与性能表征。(A) 偶极效应增强的LSCG器件结构及工作原理示意图；(B) 引入PVDF薄膜前后器件的表面Zeta电位变化；(C) LSCG在滴加50 μL水后的输出电压与电流曲线；(D) 器件在不同外部电阻下的输出功率密度；(E) 本研究器件性能与已报道低品位水能发电器件的性能对比。

研究人员首先设计了一种由顶部电极、铁电PVDF薄膜、复合活性层以及底部电极组成的LSCG结构。当水滴进入器件内部纳米通道后，水分子会在界面发生电离，形成H+和OH-离子。在器件内部电场的作用下，离子沿着特定方向迁移，从而在电极两端形成稳定的电势差并产生电流输出。

通过引入铁电PVDF薄膜所产生的偶极效应，器件界面的电荷密度显著提升，使材料表面的zeta电位明显增加。这种增强的界面电场能够有效提高离子迁移速率，并抑制离子反向扩散，从而大幅提升器件输出性能。实验结果显示，该器件的峰值电流达到1.5 mA，相较于传统设计实现了显著提升，同时表现出良好的稳定性和重复性。

图2 偶极效应增强LSCG输出性能的理论模型。(A) 引入PVDF薄膜前后界面静电势分布；(B) 界面电荷密度变化；(C) 沿界面方向的电荷密度分布曲线；(D) 纳米通道中OH⁻离子浓度分布模拟；(E) 离子迁移与浓度梯度变化；(F) LSCG内部离子迁移与发电机理示意图。

为了深入理解偶极效应对器件性能提升的机制，研究团队结合密度泛函理论（DFT）计算与数值模拟对器件界面电场进行了系统分析。计算结果表明，铁电PVDF薄膜所产生的偶极场能够显著增强界面电势梯度，从而提高离子迁移驱动力。

同时，模拟结果显示，在偶极效应作用下，纳米通道内OH-离子的迁移速度明显提升，并在电极两端形成更稳定的离子浓度梯度。这种稳定的离子迁移过程能够持续驱动电子流动，从而实现稳定的电流输出。理论计算与实验结果相互验证，进一步证明了偶极效应在提升LSCG性能方面的重要作用。

图3 (A)不同Al2O3/UIO-66摩尔比对输出性能的影响；(B) 活性材料与PVDF粘结剂质量比对输出性能的影响；(C) 不同PVDF薄膜厚度对器件输出的影响；(D) 不同水滴体积对输出性能的影响；(E) 不同水温条件下器件输出变化；(F) 不同湿度条件下的输出稳定性；(G) 不同NaCl浓度对器件输出性能的影响；(H) 器件面积对输出电流的影响；(I) 多次循环测试下的器件稳定性。

为了进一步优化LSCG器件性能，研究人员系统研究了材料比例、结构参数以及环境条件对输出性能的影响。实验结果表明，当Al2O3与UIO-66的比例达到最佳值时，复合材料具有更高的比表面积和界面电荷密度，从而显著提升离子迁移效率。

此外，适当的PVDF粘结剂含量和薄膜厚度有助于形成稳定的纳米通道结构，并维持较高的界面电场强度。研究还发现，水滴体积、水温以及环境湿度等因素均会影响器件输出，其中适量水滴能够促进水分在纳米通道中的渗透，从而形成更稳定的流动电流。

值得注意的是，当器件面积增加时，输出电流呈现近似线性增长趋势，这表明LSCG器件具有良好的规模化扩展潜力。同时，在多次循环测试以及长期环境放置条件下，器件仍能保持稳定输出，展示出良好的可靠性和耐久性。

图4 LSCG阵列及应用演示。(A) 基于LSCG阵列的智慧农业环境监测系统示意图；(B) 串联与并联连接下的输出电压与电流；(C) 单个器件对不同电容的充电能力；(D) 多个器件串联充电曲线；(E) LSCG阵列驱动计算器、LED灯、温湿度计和手机等电子设备；(F) LSCG阵列为植物环境监测传感器供电。

在完成单个器件性能优化后，研究团队进一步通过串联和并联方式构建LSCG发电阵列，以提高整体输出能力。实验结果表明，通过串联连接可以显著提升输出电压，而并联连接则能够增加输出电流，从而满足不同电子设备的供能需求。

基于该阵列系统，研究人员成功实现了对计算器、LED灯、温湿度计等低功耗电子设备的直接供电，并进一步演示了为手机充电的能力。这表明LSCG不仅具备良好的能量收集能力，同时也具备良好的系统集成潜力。

在应用方面，研究团队提出了一种自供能智慧农业监测系统。该系统利用灌溉过程中产生的水滴驱动LSCG阵列，为土壤温湿度传感器以及无线通信模块提供电能，实现对作物生长环境的实时监测。与传统依赖电池或太阳能的农业监测系统相比，该技术具有部署灵活、能源可持续以及维护成本低等优势，为未来智慧农业与分布式物联网系统提供了新的能源解决方案。

综上所述，本研究提出了一种偶极效应增强的LSCG设计策略，通过构建高比表面积的Al2O3/UIO-66/PVDF复合材料并引入铁电PVDF薄膜偶极场，实现了对界面电场和离子迁移行为的有效调控。该策略显著提升了器件的输出性能和稳定性，使LSCG在微量水滴驱动下即可产生毫安级电流输出，并保持长时间稳定工作。同时，通过器件阵列集成进一步展示了LSCG在智慧农业环境监测系统中的应用潜力，实现了对土壤温湿度、电导率及气体浓度等环境参数的实时监测。本研究为低品位水能的高效利用提供了新的设计思路，也为分布式能源与物联网系统中的自供能技术发展提供了重要参考。

论文信息

Dipole effect enhanced liquid stream-current generator

Endian Cui, Pengfan Wu, Fayang Wang*, Shiwei Xu, Danni Yang, Jiaqian Yang, Wangyang Zhang, Chenxi Zhao, Yi Yang, Yifan Bu, Man He, Xiaojing Mu*, Zhong Lin Wang*

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102632

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