凯发k8国际|女子大尿放大集合|水滴还能这样发电！解锁水伏发电技术新模式

　　编者按ღღ：为了解前沿科技动态ღღ，科普中国前沿科技项目推出“带你读懂科学顶刊”系列文章ღღ，精选权威期刊的优秀论文ღღ，第一时间用通俗语言进行解读凯发k8国际ღღ。让我们透过顶刊之窗ღღ，拓宽科学视野ღღ，享受科学乐趣ღღ。

　　电的发明无疑是一场深刻的革命ღღ，从爱迪生发明的电灯到现在各种各样的电子设备ღღ，电的出现不仅点亮了漆黑的夜晚ღღ，更推动了工业ღღ、科技乃至整个社会的飞速发展ღღ。那么你知道我们日常生活中用的电是从哪来的吗？

　　在历史的长河中ღღ，人们想尽一切办法从环境中获得电能ღღ，发电技术也随着科技的进步变得越来越多样化ღღ。目前电的来源主要有火力发电ღღ、水力发电ღღ、光伏发电ღღ、风力发电ღღ、核能发电ღღ、太阳能热发电等ღღ。

　　火力发电是目前最主要的发电方式之一ღღ，全球一半以上的电来自火力发电ღღ。火力发电利用煤ღღ、石油ღღ、天然气等化石燃料燃烧产生的热能来发电ღღ。燃料在锅炉中燃烧凯发k8国际官网ღღ，加热水生成水蒸汽ღღ，蒸汽的压力推动汽轮机旋转ღღ，进而带动发电机产生电能ღღ，实现了化学能-热能-机械能-电能的转化ღღ。

　　水力发电的原理是利用水位的落差ღღ。水从高处流向低处时ღღ，通过水轮机将势能转化为机械能ღღ，最后由发电机将机械能转化为电能ღღ。水力发电是一种清洁ღღ、可再生的能源利用方式女子大尿放大集合ღღ。

　　光伏发电是利用半导体材料的光电效应将光能直接转化为电能的发电方式ღღ。当太阳光照射到太阳能电池板上时ღღ，光子激发半导体中的电子ღღ，形成电流ღღ。光伏发电具有环保ღღ、无噪音女子大尿放大集合ღღ、可持续等优点ღღ，是近年来发展迅速的可再生能源技术ღღ。

　　风力发电是将风的动能转化为电能的发电方式ღღ。风力发电机的叶片在风的作用下发生旋转ღღ，并且通过增速机将旋转的速度提升ღღ，进而带动发电机发电ღღ。风力发电同样是一种清洁凯发k8国际ღღ、可再生的能源利用方式ღღ，且资源分布广泛ღღ。

　　核能发电的能量来源是核裂变或核聚变凯发k8国际首页登录ღღ。目前商业化的核能发电主要基于核裂变反应ღღ，该反应可以释放出大量的热能ღღ，用于加热水产生蒸汽ღღ，驱动汽轮机发电ღღ。核能发电具有能量密度高ღღ、污染小等优点ღღ，但也存在安全风险和技术难题ღღ。

　　太阳能热发电与光伏发电的原理不同ღღ，利用的是太阳辐射能ღღ。太阳辐射能通过集热器转换为热能ღღ，然后利用热能加热介质ღღ，从而驱动汽轮发电机发电ღღ。太阳能热发电具有储能能力强ღღ、发电稳定等优点ღღ。

　　水伏发电是近几年新兴的一种清洁能源发电技术ღღ，与传统的水力发电不同ღღ，水伏发电利用了微观世界中功能性材料与水滴ღღ、水蒸气ღღ、大气湿度等的相互作用产生电能ღღ，将水中的能量直接转化为电能ღღ。

　　随着纳米材料的飞速发展ღღ，水伏发电技术也越来越多样化ღღ。例如ღღ，将石墨烯材料从液体中取出ღღ，在石墨烯材料穿过水面时会产生电场ღღ，实现对外界放电ღღ。

　　此外凯发k8国际官网登录ღღ。ღღ，将水滴滴在纳米材料（多孔碳膜ღღ、多孔氧化铜纳米线膜等）的一侧ღღ，由于毛细渗透作用ღღ，水滴会跑到材料的另一侧ღღ，水滴流动的过程中也会有电能的输出ღღ。

　　传统的水滴发电设备会随着材料表面的完全润湿而失去发电的能力ღღ，发电时间只能维持几分钟ღღ，在实际应用中有很大的局限性ღღ。那么是否可以打破传统ღღ，延长水滴发电设备的工作时间呢？

　　2024年7月15日ღღ，中国科学家在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上发表了一篇关于二维纳米通道中上游质子扩散产生电能的研究工作ღღ。该技术打破了传统水滴发电中ღღ，离子移动方向与水流动方向一致的模式ღღ，提高了水滴发电的效率和持续时间ღღ。

　　研究者利用真空过滤技术将MXene（Ti3C2Tx）和PVA（聚乙烯醇）混合溶液进行过滤ღღ，并将过滤物放置在空气中干燥ღღ，最终得到MXene/PVA复合膜（MPCF）ღღ。该复合膜与电极共同组成水滴发电装置ღღ。

　　MXene是一种新兴的二维纳米材料ღღ，该类材料由过渡金属（钛ღღ、钒ღღ、锆等）与非金属元素（碳女子大尿放大集合ღღ、氮）组成ღღ，具有片与片堆叠的层状三维结构ღღ，与石墨烯材料类似凯发k8国际ღღ。MXene具有优良的导电性能ღღ，广泛应用于传感器ღღ、电磁屏蔽器等领域ღღ。

　　PVA是一种常用的高分子聚合物ღღ，中文名字是聚乙烯醇ღღ，通常被用作粘结剂和包裹剂ღღ。我们日常生活中使用的木工胶和固体胶棒的成分中就有大量的聚乙烯醇凯发k8国际ღღ。

　　MPCF器件的工作原理图和通道结构图ღღ；b.高角度环形暗场扫描电镜图ღღ；c.电压和电流随时间变化图ღღ；d.发电装置的性能对比图ღღ；e-f.水滴位置与发电的电压关系图.

　　为揭示MXene/PVA复合膜在水滴发电中的作用ღღ，研究者对其进行了结构的表征ღღ。结果表明ღღ，该复合膜中的MXene纳米片被PVA包裹并堆叠成良好排列的层状纳米结构ღღ，层状纳米结构中存在一些通道ღღ，为水滴和离子的移动提供了通路ღღ。

　　此外ღღ，该复合膜的纳米通道内部含有大量的含氧官能团（存在于有机物分子中的特定原子或原子团ღღ，决定了有机物的化学性质）ღღ，含氧官能团可以与水反应生成大量质子ღღ，质子在水滴发电过程中扮演着重要的角色ღღ。

　　研究者将两个铂电极插在复合膜的左右两侧ღღ，组成了基于MXene/PVA复合膜的水滴发电装置模型ღღ，并且通过分子动力学模拟的方法揭示了水滴与复合膜间的相互作用与发电的原理ღღ。

　　当水滴滴在复合膜和左侧电极的连接处时ღღ，由于毛细渗透作用ღღ，水滴进入复合膜内部的孔道ღღ，并且形成从左到右的“水流”ღღ。

　　复合膜内部通道的水分子与含氧官能团反应生成质子ღღ，导致通道中的质子浓度增加ღღ，与水滴形成质子的浓度差ღღ。该浓度差驱动质子向上游低浓度的水滴中移动ღღ，从而在左侧电极聚集大量的质子ღღ，导致左侧电极的电势高于右侧ღღ。当两个电极被导线接通时ღღ，电子从右侧电极向左侧电极传导凯发k8一触即发ღღ，从而产生电流ღღ。

　　a.MPCF发电原理示意图ღღ；b.分子动力学模拟过程ღღ；c.质子数随时间变化图ღღ；d.MPCF中水和质子浓度分布图ღღ；e.质子浓度随时间的变化.

　　实验测试结果表明ღღ，在复合膜上滴5微升的水就可以产生超过400毫伏的电压凯发k8国际ღღ，并且经过330分钟后ღღ，电压仍然能保持在300毫伏以上ღღ。当水滴的体积增加到10微升ღღ，20微升女子大尿放大集合ღღ，30微升后ღღ，发电时间可分别延长至500分钟ღღ，630分钟和830分钟ღღ。

　　MXene/PVA复合膜具有厚度薄和结构稳定的优势ღღ，集成的微型发电设备的体积小于0.1立方厘米ღღ，在小型化ღღ、自供电系统中具有重要的价值ღღ。

　　含有该复合膜的水滴发电设备可以被集成在衣服中ღღ，使用者运动20分钟后ღღ，发电设备吸取的水分能产生约350毫伏的电压和约2微安的电流ღღ，并且可以持续20分钟ღღ。当利用人体汗液（含有氯化钠）发电时ღღ，水滴发电设备的供电时间可以延长至30天女子大尿放大集合ღღ。

　　试想一下ღღ，如果你佩戴了一个水滴发电供能的手环ღღ，那就不必再为续航担忧了ღღ，即使在不运动的情况下ღღ，滴几滴水或者从环境中吸收水分就可以充电ღღ，为我们生活提供便利的同时还达到了节约电能的目的ღღ。

　　随着科技的进步与创新ღღ，人类正逐步实现自然资源向可持续能源的转变ღღ。让我们携手并进ღღ，在探索与实践中不断前行ღღ，共同见证水伏发电技术从梦想走进现实的辉煌时刻ღღ。

　　3.冯思佳,李连辉,刘梦愿,等.可编织柔性纤维状水伏纳米发电机[J].中国科学:技术科学, 2022.