【期刊】清华大学曲良体教授团队综述：水的气-液相转变获取电能研究进展

第一作者：邵长香

通讯作者：曲良体

通讯单位：清华大学化学系，有机光电与分子工程教育部重点实验室

此综述论文是北大纳米化学研究中心30周年专刊邀请稿，客座编辑：彭海琳教授、唐智勇研究员、林立研究员。

主要亮点

本文系统综述了近年来湿气吸附/水蒸发产电的研究进展。通过分析固-液界面相互作用，对产电机制进行了讨论和综合评价。详细介绍了当前用于产电的纳米材料体系，并对器件结构和优化策略分别进行了总结。此外，概述产电器件在直接供能、自供电传感、电子元件等领域中的应用。最后，分析产电技术面临的主要挑战和未来方向，以期为高性能产电器件构建提供有价值的研究思路。

研究背景

水作为地球上最丰富的资源之一，其利用一直备受关注。但由于认知水平及技术发展的限制，绝大多数蕴含在水中的能量未被开发。若将该部分能量有效转化为电能，将会为能源体系提供新的产电方式。随着纳米科学和纳米技术的发展，利用纳米材料从水波、雨滴、湿气和蒸发中收集能量成为现实。在此背景下，“水伏效应”应运而生。水伏效应包含一系列从水中捕获电能的策略，极大拓展了能源转化途径。

在众多途径中，纳米材料在气相水和液相水相互转化过程中产生电能的研究备受关注。吸附气态水发展出的湿气诱导产电(简称：湿气产电)和液态水蒸发发展出的蒸发诱导产电(简称：蒸发产电)两种形式(图1)是当前人们研究的焦点。成为研究热点的原因可归因于以下四方面：(i) 由于水气-液转变过程受时空、地理位置、环境等因素的限制较小，因此基于湿气和蒸发产电的技术有望为全球性能源问题提供解决方案。(ii) 湿气产电和蒸发产电过程具有高度自发性。(iii) 湿气产电和蒸发产电能够输出伏级电压，在众多水伏技术中处于较领先地位。此外，湿气吸附和水蒸发可实现持续的直流电输出，避免整流器等额外电子元件的使用，提高能量转化效率。(iv) 产电基于可再生的水资源，产电过程中无污染物排放，实现了以绿色环保的形式获取电能。鉴于其来源广泛、高度自发、性能优异、绿色环保等特点，湿气产电和蒸发产电展现出巨大的潜力和应用前景。

图1  从水循环中获取电能的两种方式：湿气产电和蒸发产电。

鉴于此，本综述回顾了基于湿气产电和蒸发产电的水能利用进展，首先通过介绍纳米材料-水基本相互作用，分析了当前用于解释产电的四种机制。之后全面总结不同类别纳米材料在产电领域的研究，并分别基于湿气产电和蒸发产电介绍和讨论了器件模型和各自的优化策略。文中概述了产电器件在直接供能、自供电传感、电子元件等领域中的应用。最后，分析了该领域面临的挑战，以期为未来产电器件的发展提供建设性的研究思路。

核心内容

1  纳米材料-水相互作用

纳米材料与水之间的相互作用离不开对固-液界面的研究，其中可能涉及到如吸附、界面张力、摩擦等特定相互作用。当水-固界面暴露于外部电场时，会出现更为有趣和复杂的情况，称为界面电现象。常见的动电现象可概括为：外加电场引发固液相对运动(因电而动)和固液相对运动产生电势差(因动生电)两种情况。动电现象与固液界面上的电荷分布密切相关，尤其与液-固界面上形成的双电层有关。为了更好地分析产电机制，理解固-液界面和电场之间的相互作用具有重要的意义。

2  产电机制

目前用于解释湿气产电和蒸发产电的机制主要有四种，包括离子浓差扩散、流动电势、离子伏特效应和赝流机制(图2)。在不同体系中发生水伏现象的机制不同，同一体系中可能同时存在多种机制。

图2  湿气产电和蒸发产电机制：(a) 离子浓差扩散，(b) 流动电势，(c) 离子伏特效应，(d) 赝流机制。

当前解释湿气产电的主流观点有离子浓差扩散和流动电势。上述两种机制并非完全割裂，一些研究认为在湿气产电过程中，这两种机制均参与其中。对于蒸发产电，流动电势机制能够较好地解释多数实验现象，但忽略了纳米材料中的电子载流子运动情况，因此在解释持续电流输出等问题上有一定的局限性。离子伏特效应和赝流机制则同时考虑了固-液界面处离子和电子的耦合运动，是对产电机制的一种有效补充。但值得注意的是，基于赝流效应的器件所表现出的实验现象与初期研究有较大差别，这些现象是否与测试电极材料有关值得深入研究。

3  产电材料

过去十年中，不断有新材料被开发用于湿气和蒸发产电。到目前为止，已经发展出的纳米材料可大致可分为六类(图3)：碳基材料、高分子、固体氧化物、金属衍生物、非金属半导体、生物膜材料。每类材料均在湿气产电和蒸发产电中发挥作用。除了对单一材料的研究外，目前研究中涉及的材料多为复合材料。通过多功能材料复合，协同调控水-纳米材料相互作用以提升器件整体性能。

图3  用于湿气/蒸发产电的纳米材料。

4  产电器件

4.1  湿气产电

根据产电材料结构的不同，湿气产电器件主要分为两类。第一类是如图4a所示基于非均质材料(主要指含官能团梯度的材料)的产电器件。该类器件由于材料内部有具有官能团梯度，因而不需要刻意控制湿气接触方向，两端电极设计可完全一致。利用该结构，可分别设计一维纤维状、二维膜状、三维块状器件(图4b–d)。第二类是基于均质材料，利用均质材料设计器件时需要注意湿气刺激方向，因此通常会采用图4e所示不同密封程度的电极来控制。由于两侧电极的有效尺寸不同，使得湿气能够从单侧接触材料，进而诱发离子浓度梯度产生电能。基于该结构同样可设计不同维度的产电器件(图4f–h)。总之，湿气产电器件受维度和尺寸的限制较小，在器件多元化设计方面具有显著优势，可根据不同应用场景实现按需定制化设计。在不同维度器件中，一维纤维状器件在可穿戴系统中更具优势。

图4  湿气产电器件结构及其不同维度器件实例。

湿气产电器件主要面临电压/电流信号小、脉冲输出、不稳定等缺点，目前已发展多种策略来优化器件性能(图5)：产电材料调控、异质结构引入、电极配置优化以及多种能量转换耦合。这些策略能够再一定程度上缓解或解决上述问题。

图5  湿气产电器件优化策略。

4.2  蒸发产电

蒸发产电器件的结构主要有两种，一种是平面型结构(图6a)，由两端电极和与电极接触的产电材料构成。此类器件可将一端置于水中或在一端滴加水实现电能产生。平面型产电器件的结构来源于首次报道的由碳黑产电层和多壁碳纳米管电极构成的产电器件(图6b)。该结构自报道以来一直沿用至今，充分证明该结构用于蒸发产电的有效性。第二种是三明治结构(图6c，d)，由上、下电极和夹在中间的产电材料组成。产电材料中的水分会从带孔上电极蒸发，在蒸发过程中会带动水从底电极向顶电极流动，诱导水与纳米材料相互作用产生电能。目前，利用三明治结构设计蒸发产电器件的研究较少，但该结构作为有效补充，有利于蒸发产电器件设计的多元化发展。

图6  蒸发产电器件结构及其典型实例。

目前，研究人员通过产电材料调控、供水系统拓展、蒸发条件改善、多能量转化耦合四个方面(图7)来加深对产电机制理解、优化产电性能、改善机械柔性及汲水方式等。通过多角度优化，以进一步提升产电器件的实用性。

图7  蒸发产电器件优化策略。

5  产电应用

鉴于产电器件成本低廉、结构简单、易制备、可循环使用等优势，产电器件在直接供能、自供电传感、电子元件等方面均展示出应用潜力(图8)，有望在健康监测、环境检测、智能电子等领域发挥作用。

图8  器件在直接供能、自供电传感、电子元件等领域的应用。

我们认为随着物联网技术的发展，在未来十年内，水伏器件基于直接供能和自供电传感功能在智能物联领域有望迎来突破性进展。在这一过程中，湿气产电和蒸发产电能够在特殊环境中为物联网电子设备提供能源。更重要的是，根据产电器件自身特点，可参与到特定行业的智能化发展中。例如，湿气产电器件可参与智能可穿戴产业的建设，最终助力智慧医疗等行业的发展。通过合理设计实现器件可穿戴，通过人体呼吸等渠道捕获水分，产生的电能为传感器供电获取传感信号或直接作为传感信号能够实现生命体征信息的有效获取，便于人们高效快捷了解身体信息从而进行有效的健康管理；类似的，蒸发产电器件可协助环境物联网的建设，最终助力智能家居领域、物联网智慧工业/农业领域的发展。借助其供能和传感功能对家居生活环境、工业/农业生产环境进行实时监测，可以帮助人们对家居场所、工业/农业生产场地进行全方位的管理。总之，湿气和蒸发产电技术所呈现的供能和传感功能必将助力其在物联网中的大展身手。

结论与展望

湿气产电和蒸发产电技术实现了在水气-液转化过程中的能量收集，为清洁能源开发提供了崭新的思路。产电的发生均源于固-液界面的相互作用，目前已发展有离子浓差扩散、流动电势、离子伏特效应、赝流效应等产电机制。并且，随着研究的深入，已开发出碳基材料、高分子、固体氧化物、金属衍生物、非金属半导体、生物膜等多种纳米材料用于产电器件制备。湿气产电和蒸发产电器件也通过材料调控、电极优化、多能量耦合等策略实现整体性能的提升。产电器件已在直接供能、自供电传感、电子元件、杀菌、净水获取、催化等领域中表现出巨大应用潜力。

基于湿气产电和蒸发产电的理论和技术已走过萌芽阶段，正处于高速发展时期。目前研究以实验现象探索、材料拓展和器件形式改进为主，缺乏更深、更广层次的探究。未来需要加大对产电机制、纳米材料系统调控、多种能量转化耦合、功能器件集成四方面的研究，以尽快实现湿气产电和蒸发产电技术走向商业化。

参考文献及原文链接

邵长香, 曲良体. 水的气-液相转变获取电能研究进展. 物理化学学报, 2023, 39 (10), 2306004. DOI: 10.3866/PKU.WHXB202306004

Shao, C. X.; Qu, L. T. Progress on Power Generation from Gas-Liquid Phase Transformation of Water. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (10), 2306004. DOI: 10.3866/PKU.WHXB202306004

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202306004

通讯作者

曲良体  教授

清华大学化学系教授、博士生导师、长江学者特聘教授。围绕碳纳米材料、石墨烯、碳纳米管、导电与功能高分子的可控制备、功能修饰与组装开展研究，探究其在先进功能材料、高效能量转化与储存等方面的应用。研究领域涉及纳米与材料化学、电化学、绿色能源、柔性电子与储能器件等，包括石墨烯超结构、智能响应高分子、海水淡化、空气发电、新型电化学电池/电容器、微型能源器件及柔性器件等。在Nature、Science、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society等国际重要期刊发表SCI论文300多篇，论文他引三万余次，单篇论文最高他引超3000次。受邀请在Nature Reviews Materials、Accounts of Chemical Research、Chemical Reviews等撰写综述论文30余篇，专著1部，国际国内发明专利40余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。曾主持科技部重点研发计划、国家基金委重点项目等多项课题。任Nano Research Energy主编及Science China Materials、Materials Today Chemistry (Elsevier)、ChemNanoMat (Wiley)、Sustainable Energy & Fuels (RSC)等期刊编委。

第一作者

邵长香  副教授

山东第一医科大学副教授，博士，硕士生导师，博士后合作导师。2021年7月毕业于北京理工大学，师从曲良体教授。同年11月加入山东第一医科大学(山东省医学科学院)化学与制药工程学院，实验室入驻济南校区医学科技创新中心。主要从事纳米材料在能源转化及存储方向、多功能有机材料设计及应用研究。近年来在SusMat、Nano Energy、Small、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表SCI论文40余篇，H-指数27，授权专利2项。主持国家自然科学基金青年项目、山东省自然科学基金青年基金、山东第一医科大学骨干人才项目等多项课题。

转自：“蔻享学术”微信公众号

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