研究背景
隨著水伏技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的研究人員開始關(guān)注如何通過水與納米材料的直接相互作用來發(fā)電。水伏技術(shù)是一種從水中收集能量的新興領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換技術(shù)（如利用水車和電磁發(fā)電機(jī)）相比，具有獨特的優(yōu)勢。水伏技術(shù)能夠通過水的各種形式（如落水滴、蒸發(fā)、吸濕和波浪）進(jìn)行能量收集，不僅利用水的動能和勢能，還能利用環(huán)境中的熱能。這種技術(shù)的快速進(jìn)展，極大地擴(kuò)展了從水中獲取能量的技術(shù)能力，尤其是考慮到水在地球表面接收的太陽能中占據(jù)了約70%的比重。然而，當(dāng)前的水伏設(shè)備仍存在一些問題。大多數(shù)設(shè)備通過毛細(xì)管滲透來發(fā)電，雖然這種方法具有便攜和易操作的優(yōu)勢，但發(fā)電時間通常有限。具體而言，當(dāng)水滴完全潤濕薄膜后，毛細(xì)管水流停止，導(dǎo)致離子移動停止，進(jìn)而使發(fā)電過程結(jié)束。這些設(shè)備的運(yùn)行時間通常只有幾分鐘。此外，離子的移動方向與水流方向一致，進(jìn)一步限制了發(fā)電效率和持續(xù)時間。為了解決這些問題，科學(xué)家們不斷探索新的材料和機(jī)制。在這一領(lǐng)域，MXene和聚乙烯醇（PVA）復(fù)合薄膜展現(xiàn)出了巨大的潛力。MXene是一種新型二維材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，而PVA則是一種柔性高分子材料，二者的結(jié)合有望在水伏技術(shù)中發(fā)揮重要作用。為了解決這些問題，清華大學(xué)深圳研究院丘陵副教授聯(lián)合南京航空航天大學(xué)郭萬林院士、殷俊教授和仇虎教授合作在“Nature Nanotechnology”期刊上發(fā)表了題為“Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels”的最新文章。本研究旨在解決當(dāng)前水伏設(shè)備運(yùn)行時間短和發(fā)電效率低的問題。通過設(shè)計和制備MXene/PVA復(fù)合薄膜，研究人員發(fā)現(xiàn)，在這種復(fù)合薄膜的二維納米通道中，質(zhì)子可以逆著毛細(xì)管滲透驅(qū)動的水流方向移動，產(chǎn)生“質(zhì)子上游擴(kuò)散”現(xiàn)象。這一新機(jī)制不僅顯著延長了發(fā)電時間，還提高了發(fā)電效率。在實驗中，僅用5微升的水滴就能在超過330分鐘的時間內(nèi)產(chǎn)生約400毫伏的電壓。
科學(xué)亮點
（1）實驗首次展示了在MXene/聚乙烯醇（PVA）復(fù)合薄膜的二維納米通道中，質(zhì)子逆水流方向的運(yùn)動（上游質(zhì)子擴(kuò)散）可以有效產(chǎn)生電能。此研究突破了傳統(tǒng)水伏設(shè)備中普遍采用的下游離子傳輸機(jī)制。（2）實驗通過將水滴（僅5微升）引入MPCF納米通道，觀察到水的滲透導(dǎo)致表面官能團(tuán)的質(zhì)子解離，從而在通道內(nèi)產(chǎn)生高濃度的質(zhì)子。這些質(zhì)子在水流的推動下，向上游方向擴(kuò)散，進(jìn)而生成約400毫伏的開路電壓。 （3）結(jié)合實驗與模擬結(jié)果，研究表明，該機(jī)制可使電壓持續(xù)輸出超過330分鐘，顯著延長了水伏設(shè)備的操作時間。這一發(fā)現(xiàn)有助于改善水伏技術(shù)的能量收集效率，并為可穿戴設(shè)備的能量獲取提供了新思路。
圖文解讀
圖1：MXene/聚乙烯醇poly(vinyl alcohol) 復(fù)合膜composite film，MPCF設(shè)備的配置、特性和性能。 圖3：在MXene/聚乙烯醇復(fù)合膜MPCF中，極慢的水滲透。圖4：質(zhì)子上游擴(kuò)散upstream diffusion感應(yīng)電流。
科學(xué)啟迪
本研究揭示了上游質(zhì)子擴(kuò)散在MXene/聚乙烯醇（PVA）薄膜中實現(xiàn)發(fā)電的全新機(jī)制，為水伏技術(shù)的發(fā)展提供了重要的價值。傳統(tǒng)水伏設(shè)備主要依賴于水流動所引起的離子運(yùn)動，通常需要持續(xù)的水流來維持發(fā)電。這種依賴限制了設(shè)備的工作時間和應(yīng)用場景。而我們的研究通過探索質(zhì)子在濃度梯度驅(qū)動下的逆向運(yùn)動，展示了一種全新的能量轉(zhuǎn)化途徑。質(zhì)子的解離與擴(kuò)散過程是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，這意味著我們的發(fā)現(xiàn)不僅限于特定材料或環(huán)境，而是具有廣泛的適用性。這一機(jī)制的實現(xiàn)，使得水伏設(shè)備能夠在各種含水環(huán)境中有效運(yùn)行，例如人體汗液、雨水等，從而拓寬了能源收集的可能性。 Xia, H., Zhou, W., Qu, X. et al. Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01691-5
