海水蒸發(fā)也能發(fā)電？納米發(fā)電機將海水轉(zhuǎn)化為清潔能源

環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

來源：Shutterstock

撰文| Penn

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1978篇原創(chuàng)

想象一下，有一種裝置，它利用的能源規(guī)模堪比地球本身，能夠提供近乎無限的電力，且無需進(jìn)行任何破壞生態(tài)的開采。這并非是科幻小說中的場景，而是真實存在的，它就是海洋。

海洋是世界上最大的太陽能采集器，它吸收的太陽能達(dá)到37萬億千瓦。在倡導(dǎo)發(fā)展可持續(xù)能源、積極探索新能源的背景下，海洋能源的開發(fā)和利用，越來越得到人們的重視。

2024年，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）工程學(xué)院納米能源技術(shù)實驗室（LNET ）的研究人員報告了一種用于研究水伏效應(yīng)（HV效應(yīng)）的平臺。

水伏效應(yīng)是指當(dāng)流體流過帶電納米器件表面時可以收集電能的現(xiàn)象。他們的平臺由六邊形硅納米柱網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，柱間空間形成用于蒸發(fā)流體樣品的通道。

如今，由Giulia Tagliabue領(lǐng)導(dǎo)的LNET團(tuán)隊已將該平臺開發(fā)成一套水力光伏系統(tǒng)（hydrovoltaic systems），其發(fā)電量可與同類技術(shù)媲美甚至實現(xiàn)超越，相關(guān)研究成果已發(fā)表在國際期刊《自然通訊》雜志上。

與僅僅依靠熱能和光能來促進(jìn)蒸發(fā)的傳統(tǒng)方法不同，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的這套系統(tǒng)利用熱能和光能來控制蒸發(fā)鹽水中離子的運動以及硅納米器件中電子的流動，從而產(chǎn)生電流。

在這篇論文中，團(tuán)隊負(fù)責(zé)人 Giulia Tagliabue 和研究員 Tarique Anwar 描述了他們?yōu)檎舭l(fā)驅(qū)動的水力光伏系統(tǒng)構(gòu)建的“統(tǒng)一的物理和實驗框架”，該框架分離并控制界面（即固液或液氣等相間）過程，同時利用陽光和熱量發(fā)電。研究人員表示，這一過程為更生態(tài)安全的能源收集技術(shù)鋪平了道路。

圖說：通過耦合熱光驅(qū)動表面電荷動力學(xué)增強水力光伏發(fā)電

來源：nature communications

該系統(tǒng)基于LNET之前利用水力光伏效應(yīng)的研究成果，該效應(yīng)允許在流體流過納米器件帶電表面時收集電力，并利用六邊形陣列中硅納米柱之間的空隙蒸發(fā)流體，而整個系統(tǒng)能夠解耦并控制從熱能和太陽光中發(fā)電的關(guān)鍵界面過程。

“熱量和光照不平衡總是會影響水力光伏器件，” LNET 研究員 Tarique Anwar說，“但我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了如何利用這些不平衡來發(fā)揮我們的優(yōu)勢”，即通過控制熱量和光照來控制蒸發(fā)海水中的離子，而海水是一種取之不盡、用之不竭的環(huán)保資源。

這種納米器件由三個獨立的層組成，分別用于蒸發(fā)、離子傳輸和電荷收集。這種解耦設(shè)計使得科學(xué)家能夠觀察并精細(xì)調(diào)控過程中的每個步驟。水力光伏器件頂部為蒸發(fā)電極表面，底部為浸沒在水中的硅納米顆粒（SiNPs）陣列。頂部和底部組件不直接接觸，而是通過水進(jìn)行電化學(xué)連接。

中間的離子導(dǎo)電層將蒸發(fā)頂部界面與硅-介質(zhì)納米柱陣列隔開，從而可以獨立調(diào)節(jié)蒸發(fā)、離子傳輸和界面化學(xué)平衡。這種設(shè)計不僅提高了電荷產(chǎn)生效率，還展示了電荷如何通過熱感應(yīng)和光感應(yīng)產(chǎn)生，從而增強電輸出和離子遷移。

圖說：蒸發(fā)驅(qū)動水力光伏器件的結(jié)構(gòu)、機制和材料

來源：nature communications

通常，當(dāng)我們思考熱和光對蒸發(fā)的影響時，我們會認(rèn)為熱能會加速水蒸氣的轉(zhuǎn)化。之前的研究主要集中于利用這種效應(yīng)進(jìn)行高壓能量收集，但洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們觀察到的能量產(chǎn)生加速并非僅僅由蒸發(fā)引起。

由于他們的納米器件由硅半導(dǎo)體制成，其內(nèi)部的電子會被陽光中的光子激發(fā)，而熱量則會增強其表面的負(fù)電荷。與此同時，納米器件上方鹽水層中的熱驅(qū)動蒸發(fā)會導(dǎo)致離子遷移，從而造成正負(fù)電荷分離。

這種液固界面處的電荷分離會產(chǎn)生電場，驅(qū)動受激電子在連接的電路中運動，最終產(chǎn)生電流。

“我們的研究表明，由于這種表面電荷效應(yīng)，太陽光和熱的加入可以將能量產(chǎn)量提高 5 倍。這種自然效應(yīng)一直存在，但我們是第一個利用它的人，” 團(tuán)隊負(fù)責(zé)人 Giulia Tagliabue說。

圖說：LNET的實驗裝置

來源：EPFL

研究結(jié)果表明，電容性光充電和熱調(diào)制表面平衡（而非法拉第效應(yīng)或光熱效應(yīng)）主導(dǎo)了能量轉(zhuǎn)換。該實驗裝置實現(xiàn)了1 V的開路電壓和0.25 W/m2的功率密度，硅摻雜和介質(zhì)的選擇可以進(jìn)一步提高性能。

研究人員強調(diào)，除了優(yōu)異的電壓和功率密度外，他們的系統(tǒng)還具有連續(xù)自主發(fā)電的優(yōu)勢。熱和光會降低水力光伏發(fā)電機制的性能，在鹽水這種高腐蝕性環(huán)境中，這種性能下降會更加嚴(yán)重。

但正如 Tagliabue 所說，由于她的裝置中的納米柱表面涂覆了一層氧化層，確保其在熱和光照下性能穩(wěn)定，因此它們不會發(fā)生“不必要的化學(xué)反應(yīng)”。

將該裝置分為三層后，研究團(tuán)隊得以建立模型來解釋他們的觀察結(jié)果，并通過調(diào)整納米柱結(jié)構(gòu)和鹽濃度來優(yōu)化功率輸出。目前，該團(tuán)隊正在開發(fā)相關(guān)工具，以便在利用太陽能模擬器進(jìn)行熱和光輸入實驗的同時，實時探測這些現(xiàn)象。

圖說：光照對不同涂層和鹽度水平的影響

來源：nature communications

如果LNET設(shè)備的后續(xù)迭代取得成功，Tagliabue和Anwar表示，他們希望這能催生出水力光伏裝置，為小型、無電池的傳感器網(wǎng)絡(luò)供電，讓人們可以在任何能夠獲取陽光、熱能和水的地方使用。

他們指出，此類應(yīng)用不僅包括環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，還包括所有連接到物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，以及可穿戴設(shè)備。屆時，這些設(shè)備可實現(xiàn)能源的自給自足，真正做到了“綠色零排放”。

參考材料：

[1]https://newatlas.com/energy/nanogenerator-harvests-electricity-evaporating-seawater/

[2]https://www.nature.com/articles/s41467-025-68261-8

[3]https://actu.epfl.ch/news/nanodevice-produces-continuous-electricity-from--2/

[4]https://www.news.cn/science/20230630/f1d50a1140474af6b081f8b6b5e50f12/c.html

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