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綜述:“水伏學”,水中“捕電”新途徑

媒體:《自然—納米技術》  作者:郭萬林等
專業號:柘珉1 2018/12/28 10:13:04

近年來,國際上一系列的研究顯示,碳納米材料通過與水的相互作用可以穩定地輸出電能。納米碳材料可從幾乎所有形式的水能中捕獲能量,持續產生高達伏級的電能,這種現象被稱為‘水伏效應’。專家稱,水伏效應為捕獲地球水循環過程中的能量提供了全新的方向,提升了水能利用上限。

近日,南京航空航天大學納米科學研究所團隊以“正浮現的水伏技術”為題在《自然—納米技術》上發表相關成果,并獲得編輯對該文的期刊封面推薦。

當水遇上石墨烯“結晶”為電

水占據著地球表面大約70%的面積,能在水波、水流、雨滴、蒸發等各種水的運動和循環過程中“集聚”能量,可演化為波動能、流動能、雨滴能、蒸發能等。

據估算,地球上水動態吸納釋放能量的年平均功率高達60 萬億千瓦,比全球人類的年平均能量消耗功率(2016年約180億千瓦)高三個數量級,其中僅水蒸發的年平均功率就達40萬億千瓦。

不僅如此,水還以豐富多樣的形式支配著自然界的能量轉移,比如它吸收了近70%的太陽輻射到達地表的能量,并通過水的蒸發、對流等一系列過程將其轉移。

也就是說,水自身儲存著巨大的尚未得到開發的能量資源,它還轉移著其他能量。

早在公元400年,人們就在探索使水能“物盡其用”的方式,比如流水推動的水輪、蒸汽推動的機車等,根據經典力學和電磁動力學的原理,將水的勢能或動能轉化成有用的機械能和電能。19世紀,科學家發現水和固體表面可發生相互作用,水在壓力差作用下通過狹小的腔道或縫隙流動會將水的動能轉化為電能等動電效應。

納米通道具有原子尺寸的光滑壁面,可有效提高能量轉換效率,這激發了該團隊利用納米材料收集水能的興趣。

南京航空航天大學教授張助華表示,納米材料因表面等效應對外界激勵有獨特的敏感性,可以收集傳統技術無法獲得的更豐富形式的水能。其中,尤以石墨烯和碳納米管等納米碳材料為代表,因其制備技術成熟,可宏量得到不同尺寸高質量樣品脫穎而出。

事實上,來自水的能量更多是以無法感知的形式存在,即蒸發。每蒸發1克水會吸收 2.26 千焦的環境能量,接近一節AAA干電池所含的能量。在全球范圍內,蒸發消耗的能量占水所消耗的總能量的66%(40千瓦),產生平均功率密度每平方米約 80 W,且無時無刻不在發生著。研究表明,碳納米材料能夠與水蒸氣發生獨特相互作用,將水蒸發吸收的能量直接轉換為電能輸出。蒸發發電不需要任何顯像機械能輸入,截然不同于其它的水能利用方式。

“納米功能材料擔當著把水中波動能、蒸發能等無法直接使用的能量轉化成有用電能的‘橋梁’作用。”張助華說。

從水中捕獲電能

通過功能材料將水能轉化電能的途徑被稱為“水伏學”。相關研究近兩年開始興起,其概念被專家定義為:一系列從水中捕獲電能的新途徑。

國內相關學者已圍繞碳納米材料的優化設計、納米碳捕獲水能的不同機理以及水伏效應的應用潛力和技術發展等方面做了大量的研究。該團隊指出,水伏效應發展的關鍵之一在于深入認識固液界面和高效水伏效應材料的制備,尤其是界面的電荷轉移和傳輸規律。

該團隊對石墨烯等二維覆層體系的流-固-電耦合開展了系統的研究,發現了石墨烯新的動電效應,命名為曳勢、波動勢,極易廉價炭黑材料的水蒸發發電。這些研究成果顯著提升了水伏技術的發展潛力。

據介紹,“曳勢”即液滴在涂覆單層石墨烯的固體表面運動時,產生與液滴運動速度成正比的拖曳液滴發電。這一現象不禁讓我們想象:把石墨烯放在手機屏幕上,水滴在上面一滾,就能生電。而且水滴滾得越快,發的電就越大。

與液滴相比,水的波浪蘊含著更巨大的能量,而這種“波動勢”能量可以通過和拖曳勢相似的方法獲得。

去年5月,該團隊與華中科技大學研究團隊合作研究發現,在廉價碳納米材料薄膜中,大氣環境下水的自然蒸發產生了持續的伏級電壓和直流電流,數平方厘米薄膜產生的電能已經能夠直接驅動液晶顯示器。最近的實驗還發現,空氣中的濕度變化也可以通過碳納米材料轉換成電信號。

召喚“水伏”的未來

“水伏效應的理論與技術研究目前仍處在起步階段,但其所展示的發展潛力和獨特應用前景已透出水伏科學技術的曙光。”中國科學院院士、南京航空航天大學教授郭萬林說。

與對外部條件和環境有較大依賴性的光伏發電技術相比,水伏發電技術幾乎完全借助水的自然過程。以蒸發發電為例,蒸發無處不在,不受天氣、晝夜、空間的影響,而且可以結合風能、熱能和太陽能提高蒸發發電量,使得蒸發能利用在理論上具有比光伏技術更大的空間。

迄今為止,研究人員挖掘并設計了其它材料結構以研究水伏效應,以期將水體中儲存的巨大能量直接轉化為電能。

但總的來說,功率密度低和轉化效率低仍是制約水伏效應應用的主要問題。現有報道的水伏器件,電流密度在數十微安級,輸出功率一般介于亞微瓦到毫瓦量級,功率密度一般小于10 Wm-2 ,遠遠不能與現有的電力設備相提并論。

張助華補充道,“經過幾年的研究,如果我們有幸能實現毫安級電流輸出,就基本可以給手機充電了,還可以驅動大部分的移動電子器件。”

他還預期,水伏效應發電將是現有綠色能源體系的有力補充。水伏效應生電是否能真正走進大眾生活還取決于后續研究,需要更多科研人員的共同努力。(來源:科學網 韓揚眉)

相關論文信息:

DOI:10.1038/s41565-018-0228-6

DOI:10.1038/nnano.2016.300

 

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