海水蒸发也能发电？纳米发电机将海水转化为清洁能源

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碳中和领域的《新青年》

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撰文 | Penn

编辑 | 小澜

→这是《环球零碳》的1978篇原创

想象一下，有一种装置，它利用的能源规模堪比地球本身，能够提供近乎无限的电力，且无需进行任何破坏生态的开采。这并非是科幻小说中的场景，而是真实存在的，它就是海洋。

海洋是世界上最大的太阳能采集器，它吸收的太阳能达到37万亿千瓦。在倡导发展可持续能源、积极探索新能源的背景下，海洋能源的开发和利用，越来越得到人们的重视。

2024年，洛桑联邦理工学院（EPFL）工程学院纳米能源技术实验室（LNET ）的研究人员报告了一种用于研究水伏效应（HV效应）的平台。

水伏效应是指当流体流过带电纳米器件表面时可以收集电能的现象。他们的平台由六边形硅纳米柱网络构成，柱间空间形成用于蒸发流体样品的通道。

如今，由Giulia Tagliabue领导的LNET团队已将该平台开发成一套水力光伏系统（hydrovoltaic systems），其发电量可与同类技术媲美甚至实现超越，相关研究成果已发表在国际期刊《自然通讯》杂志上。

与仅仅依靠热能和光能来促进蒸发的传统方法不同，洛桑联邦理工学院的这套系统利用热能和光能来控制蒸发盐水中离子的运动以及硅纳米器件中电子的流动，从而产生电流。

在这篇论文中，团队负责人 Giulia Tagliabue 和研究员 Tarique Anwar 描述了他们为蒸发驱动的水力光伏系统构建的“统一的物理和实验框架”，该框架分离并控制界面（即固液或液气等相间）过程，同时利用阳光和热量发电。研究人员表示，这一过程为更生态安全的能源收集技术铺平了道路。

图说：通过耦合热光驱动表面电荷动力学增强水力光伏发电

来源：nature communications

该系统基于LNET之前利用水力光伏效应的研究成果，该效应允许在流体流过纳米器件带电表面时收集电力，并利用六边形阵列中硅纳米柱之间的空隙蒸发流体，而整个系统能够解耦并控制从热能和太阳光中发电的关键界面过程。

“热量和光照不平衡总是会影响水力光伏器件，” LNET 研究员 Tarique Anwar说，“但我们已经发现了如何利用这些不平衡来发挥我们的优势”，即通过控制热量和光照来控制蒸发海水中的离子，而海水是一种取之不尽、用之不竭的环保资源。

这种纳米器件由三个独立的层组成，分别用于蒸发、离子传输和电荷收集。这种解耦设计使得科学家能够观察并精细调控过程中的每个步骤。水力光伏器件顶部为蒸发电极表面，底部为浸没在水中的硅纳米颗粒（SiNPs）阵列。顶部和底部组件不直接接触，而是通过水进行电化学连接。

中间的离子导电层将蒸发顶部界面与硅-介质纳米柱阵列隔开，从而可以独立调节蒸发、离子传输和界面化学平衡。这种设计不仅提高了电荷产生效率，还展示了电荷如何通过热感应和光感应产生，从而增强电输出和离子迁移。

图说：蒸发驱动水力光伏器件的结构、机制和材料

来源：nature communications

通常，当我们思考热和光对蒸发的影响时，我们会认为热能会加速水蒸气的转化。之前的研究主要集中于利用这种效应进行高压能量收集，但洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员发现，他们观察到的能量产生加速并非仅仅由蒸发引起。

由于他们的纳米器件由硅半导体制成，其内部的电子会被阳光中的光子激发，而热量则会增强其表面的负电荷。与此同时，纳米器件上方盐水层中的热驱动蒸发会导致离子迁移，从而造成正负电荷分离。

这种液固界面处的电荷分离会产生电场，驱动受激电子在连接的电路中运动，最终产生电流。

“我们的研究表明，由于这种表面电荷效应，太阳光和热的加入可以将能量产量提高 5 倍。这种自然效应一直存在，但我们是第一个利用它的人，” 团队负责人 Giulia Tagliabue说。

图说：LNET的实验装置

来源：EPFL

研究结果表明，电容性光充电和热调制表面平衡（而非法拉第效应或光热效应）主导了能量转换。该实验装置实现了1 V的开路电压和0.25 W/m²的功率密度，硅掺杂和介质的选择可以进一步提高性能。

研究人员强调，除了优异的电压和功率密度外，他们的系统还具有连续自主发电的优势。热和光会降低水力光伏发电机制的性能，在盐水这种高腐蚀性环境中，这种性能下降会更加严重。

但正如 Tagliabue 所说，由于她的装置中的纳米柱表面涂覆了一层氧化层，确保其在热和光照下性能稳定，因此它们不会发生“不必要的化学反应”。

将该装置分为三层后，研究团队得以建立模型来解释他们的观察结果，并通过调整纳米柱结构和盐浓度来优化功率输出。目前，该团队正在开发相关工具，以便在利用太阳能模拟器进行热和光输入实验的同时，实时探测这些现象。