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(wěn)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(xù)產(chǎn)生高達伏級的電能，這種現(xiàn)象被稱為‘水伏效應(yīng)’。專家稱，水伏效應(yīng)為捕獲地球水循環(huán)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(xué)納米科學(xué)研究所團隊以“正浮現(xiàn)的水伏技術(shù)”為題在《自然-納米科技》上發(fā)表相關(guān)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(jié)晶”為電
水占據(jù)著地球表面大約70%的面積，能在水波、水流、雨滴、蒸發(fā)等各種水的運動和循環(huán)過程中“集聚”能量，可演化為波動能、流動能、雨滴能、蒸發(fā)能等。
據(jù)估算，地球上水動態(tài)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(shù)量級，其中僅水蒸發(fā)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(zhuǎn)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(fā)、對流等一系列過程將其轉(zhuǎn)移。
也就是說，水自身儲存著巨大的尚未得到開發(fā)的能量資源，它還轉(zhuǎn)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(jù)經(jīng)典力學(xué)和電磁動力學(xué)的原理，將水的勢能或動能轉(zhuǎn)化成有用的機械能和電能。19世紀，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水和固體表面可發(fā)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(zhuǎn)化為電能等動電效應(yīng)。
納米通道具有原子尺寸的光滑壁面，可有效提高能量轉(zhuǎn)換效率，這激發(fā)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(xué)教授張助華表示，納米材料因表面等效應(yīng)對外界激勵有獨特的敏感性，可以收集傳統(tǒng)技術(shù)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(shù)成熟，可宏量得到不同尺寸高質(zhì)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(fā)。每蒸發(fā)1克水會吸收 2.26 千焦的環(huán)境能量，接近一節(jié)AAA干電池所含的能量。在全球范圍內(nèi)，蒸發(fā)消耗的能量占水所消耗的總能量的66％(40千瓦)，產(chǎn)生平均功率密度每平方米約 80 W，且無時無刻不在發(fā)生著。研究表明，碳納米材料能夠與水蒸氣發(fā)生獨特相互作用，將水蒸發(fā)吸收的能量直接轉(zhuǎn)換為電能輸出。蒸發(fā)發(fā)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(dān)當著把水中波動能、蒸發(fā)能等無法直接使用的能量轉(zhuǎn)化成有用電能的‘橋梁’作用?！睆堉A說。
從水中捕獲電能
通過功能材料將水能轉(zhuǎn)化電能的途徑被稱為“水伏學(xué)”。相關(guān)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(nèi)相關(guān)學(xué)者已圍繞碳納米材料的優(yōu)化設(shè)計、納米碳捕獲水能的不同機理以及水伏效應(yīng)的應(yīng)用潛力和技術(shù)發(fā)展等方面做了大量的研究。該團隊指出，水伏效應(yīng)發(fā)展的關(guān)鍵之一在于深入認識固液界面和高效水伏效應(yīng)材料的制備，尤其是界面的電荷轉(zhuǎn)移和傳輸規(guī)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(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)了石墨烯新的動電效應(yīng)，命名為曳勢、波動勢，極易廉價炭黑材料的水蒸發(fā)發(fā)電。這些研究成果顯著提升了水伏技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
據(jù)介紹，“曳勢”即液滴在涂覆單層石墨烯的固體表面運動時,產(chǎn)生與液滴運動速度成正比的拖曳液滴發(fā)電。這一現(xiàn)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(fā)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(xué)研究團隊合作研究發(fā)現(xiàn)，在廉價碳納米材料薄膜中，大氣環(huán)境下水的自然蒸發(fā)產(chǎn)生了持續(xù)的伏級電壓和直流電流，數(shù)平方厘米薄膜產(chǎn)生的電能已經(jīng)能夠直接驅(qū)動液晶顯示器。最近的實驗還發(fā)現(xiàn)，空氣中的濕度變化也可以通過碳納米材料轉(zhuǎn)換成電信號。
召喚“水伏”的未來
“水伏效應(yīng)的理論與技術(shù)研究目前仍處在起步階段，但其所展示的發(fā)展?jié)摿酮毺貞?yīng)用前景已透出水伏科學(xué)技術(shù)的曙光?！敝袊茖W(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)教授郭萬林說。
與對外部條件和環(huán)境有較大依賴性的光伏發(fā)電技術(shù)相比，水伏發(fā)電技術(shù)幾乎完全借助水的自然過程。以蒸發(fā)發(fā)電為例，蒸發(fā)無處不在，不受天氣、晝夜、空間的影響，而且可以結(jié)合風(fēng)能、熱能和太陽能提高蒸發(fā)發(fā)電量，使得蒸發(fā)能利用在理論上具有比光伏技術(shù)更大的空間。
迄今為止，研究人員挖掘并設(shè)計了其它材料結(jié)構(gòu)以研究水伏效應(yīng)，以期將水體中儲存的巨大能量直接轉(zhuǎn)化為電能。
但總的來說，功率密度低和轉(zhuǎn)化效率低仍是制約水伏效應(yīng)應(yīng)用的主要問題?，F(xiàn)有報道的水伏器件，電流密度在數(shù)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(xiàn)有的電力設(shè)備相提并論。
張助華補充道，“經(jīng)過幾年的研究，如果我們有幸能實現(xiàn)毫安級電流輸出，就基本可以給手機充電了，還可以驅(qū)動大部分的移動電子器件。”
他還預(yù)期，水伏效應(yīng)發(fā)電將是現(xiàn)有綠色能源體系的有力補充。水伏效應(yīng)生電是否能真正走進大眾生活還取決于后續(xù)研究，需要更多科研人員的共同努力。
編輯：沈湫莎
責(zé)任編輯：張鵬
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