撰文 | 張二七

水力發電已非新鮮事物。在能源日漸缺乏的今天，水電提供了一種清潔、可再生的能源。水力發電主要利用水位落差，將水的勢能轉化為(wei) 水輪的機械能，從(cong) 而推動發電機並產(chan) 生電。然而受到技術的限製，目前的水力發電隻利用了海浪、潮汐、河流的中高頻運動，而這些水體(ti) ，甚至雨水中蘊藏的低頻動能一直未能很有效率地轉化為(wei) 電能。

近日，由香港城市大學機械工程學係的王鑽開教授、美國內(nei) 布拉斯加大學林肯分校的曾曉成教授和中國科學院北京納米能源與(yu) 係統研究所的王中林院士合作領導的研究團隊，研發出了一種新型的水滴發電機（droplet-based electricity generator, DEG）。這項研究發表在《自然》雜誌上，新型水滴發電機的瞬時功率密度，即每平方米在單位時間內(nei) 產(chan) 生的最大電能可達50.1W，是其他原理類似的水滴發電機的數千倍。實驗顯示，一滴水產(chan) 生的電能足以點亮100盞小LED燈。

兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵設計

多年來，許多科學家都在研究這種發電方式。此前根據摩擦起電效應製造的水滴發電機，利用每個(ge) 液滴撞擊表麵時的摩擦和靜電感應產(chan) 生電力。但一滴水能夠產(chan) 生的表麵摩擦電荷非常少，因此這種傳(chuan) 統水滴發電機的電能轉化效率非常低。

為(wei) 了實現更高的電能轉化率，最新研究采用了兩(liang) 項關(guan) 鍵設計。首先，研究團隊使用了一種可以長期保有電荷的永電體(ti) 材料——聚四氟乙烯（PTFE）。該研究團隊在2019年發表於(yu) 《自然》雜誌的另一項研究中發現，當水滴持續不斷地撞擊PTFE薄膜時，摩擦起電產(chan) 生的表麵電荷能夠不斷在PTFE膜中積累，直至飽和。這樣，經過液滴的連續撞擊後，PTFE就能夠儲(chu) 存高密度的表麵電荷。這樣就解決(jue) 了過去水滴發電機中，電荷密度低導致的低效率問題。

縱坐標為(wei) 隨著水滴不斷落下，PTFE膜中逐漸積累的電荷量（nC），橫坐標為(wei) 水滴落下的數量（萬(wan) 滴）。在大約16000滴時，PTFE膜中的電荷量達到了飽和。（圖片來源：Xu et al., 2020）

那麽(me) 要如何利用這些電荷進行有效發電呢？這就要提到水滴發電機的整體(ti) 結構了。整個(ge) 水滴發電機非常小巧，主要由一個(ge) 鋁電極，以及一個(ge) 表麵覆有一層PTFE薄膜的銦錫氧化物（ITO）電極組成。在發電前，需要16000餘(yu) 次水滴滴落或直接注入離子，使PTFE積攢負電荷至飽和狀態。這時，水滴發電機可以開始運行。

整個(ge) 發電過程可以分為(wei) 三步：1）在PTFE帶有一定電荷的情況下，通過靜電感應，使ITO帶有等量的正電荷，此時電路是斷開的；2）水滴滴落到PTFE表麵，並接觸到鋁電極時，水滴接通了鋁電極和ITO兩(liang) 個(ge) 電極之間的通路，使ITO的正電荷向鋁極轉移，產(chan) 生電流；3）水滴滑落後，電路斷開，由於(yu) 靜電感應ITO繼續積攢正電荷，等待下一滴水的循環。

水滴發電機結構示意圖（a）與(yu) 實物圖（b）。（圖片來源：Xu et al., 2020）

在整個(ge) 過程中，PTFE膜上積累的表麵電荷並未釋放，開始發電後，整個(ge) 電路中電流的來源其實是ITO在每個(ge) 循環中通過靜電感應儲(chu) 存的正電荷。由於(yu) 靜電感應，電路斷開時其正電荷數量與(yu) PTFE上積累的電荷量相同。也就是說，每一滴水的發電量都是之前16000餘(yu) 次水滴滴落摩擦起電量的總和。

水滴發電機的整體(ti) 結構，正是研究的另一項關(guan) 鍵突破。據文章的通訊作者王鑽開教授介紹，這個(ge) 結構類似於(yu) 1956年獲得諾貝爾物理學獎的場效晶體(ti) 管（FET三極管）的結構。三極管由柵極、源極、漏極三個(ge) 極組成，通過控製柵極，就能控製源極和漏極之間是否連通，從(cong) 而進一步控製兩(liang) 極之間電荷的流動。這個(ge) 看似簡單的結構卻是集成電路的最基本單元，它的發明深刻地改變了信息傳(chuan) 遞的方式。

在新研發的水滴發電機中，PTFE/ITO與(yu) 鋁電極就類似於(yu) 三極管中的源極和漏極，用於(yu) 儲(chu) 存和轉移電荷。水滴除了完成發電前PTFE膜電荷積累之外，在發電過程中還起到了類似柵極的作用。隨著水滴滴落，它也成為(wei) 了一個(ge) 定期自動連通和斷開的開關(guan) ，控製著整個(ge) 電路。

一滴水點亮百盞LED燈

王鑽開教授表示：“我們(men) 的研究表明，從(cong) 15厘米的高度釋放一滴0.1毫升的水，就能產(chan) 生140V以上的電壓，其功率可以點亮100盞小型LED燈。”而瞬時發電效率的提升全部來源於(yu) 水滴自身動能的充分利用。“這些水滴撞擊的動能源於(yu) 重力，可以說是免費和可再生的。充分利用這種資源，能夠減少我們(men) 對化石燃料的依賴，有助於(yu) 世界的可持續發展。”

除了自來水，這種新型的水滴發電機還可以從(cong) 雨滴和海水中收集能量。比如研究者設計了一個(ge) 雨水收集和流速控製裝置。隻需要調節流速控製器中毛細管的直徑和釋放高度，就能夠精確控製用於(yu) 發電的水滴的大小和速度。類似的，海水以及其他水源也可以分離成這樣不連續的液滴陣列。

對於(yu) 未來的研究方向，王鑽開教授在接受《環球科學》采訪時表示：“我們(men) 的轉化效率比傳(chuan) 統的液滴發電高上千倍，但是離實際應用還需要進一步優(you) 化，把輸出功率進一步提高。”

考慮到整個(ge) 方案的實際可行性，研究團隊采用的都是最簡單的設計，並不需要特殊的二維材料或者超疏水材料等。王鑽開教授希望，這個(ge) 設計未來可以推廣到各種各樣的固液接觸麵上：“我們(men) 這個(ge) 工作的突破就在於(yu) ，用最簡單的設計解決(jue) 了這個(ge) 領域最關(guan) 鍵的問題之一。這是一個(ge) 普適的設計，就像三極管改變了電子行業(ye) ，這項研究應該也有改變固液發電的潛力。未來它可以用在任何場所，從(cong) 微納器件到藍色海洋，隻要有水和固體(ti) 的相對滑動，就可以進行發電。”

原始論文：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-1985-6#Sec14

 

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