“水伏学”：水中“捕电”新途径

    碳纳米材料通过与水相互作用可以稳定地输出电能，这种现象被称为“水伏效应”。专家称，水伏效应为捕获地球水循环过程中的能量提供了全新方向， 提升了水能利用上限。

    近日，南京航空航天大学纳米科学研究所在《自然—纳米科技》上发表论文，介绍该所在这一领域的研究成果。

    当水遇上石墨烯

    水占据地球表面约70%的面积，在水波、水流、雨滴、蒸发等各种水的运动和循环过程中“集聚”的能量，可演化为波动能、流动能、雨滴能、蒸发能等。

    据估算，地球上水动态吸纳释放能量年均功率高达60万亿千瓦，比人类年均能量消耗功率高三个数量级，其中仅水蒸发的年平均功率就达40万亿千瓦。

    不仅如此，水还以丰富多样的形式支配着自然界的能量转移，比如它吸收了近70%的太阳辐射到达地表的能量，并通过水的蒸发、对流等一系列过程将其转移。也就是说，水自身储存着巨大的尚未开发的能量，它还转移着其他能量。

    南京航空航天大学教授张助华表示，纳米材料因表面效应等对外界激励有独特的敏感性，可以收集传统技术无法获得的多种形式的水能。其中，尤以石墨烯和碳纳米管等材料为代表，因其制备技术成熟，可宏量得到不同尺寸高质量样品。

    事实上，来自水的能量更多是以无法感知的形式存在，即蒸发。每蒸发1克水会吸收2.26千焦的环境能量（接近一节AAA干电池所含能量）。在全球范围内，蒸发消耗的能量占水所消耗总能量的66％。研究表明，碳纳米材料能够与水蒸气发生独特相互作用，将水蒸发吸收的能量直接转换为电能输出。

    “纳米功能材料担当着把水中波动能、蒸发能等无法直接使用的能量转化成可用电能的‘桥梁’作用。”张助华说。

    从水中捕获电能

    水伏学相关研究近两年开始兴起，其概念被专家定义为：一系列从水中捕获电能的新途径。

    目前，科学家已围绕碳纳米材料的优化设计、纳米碳捕获水能的不同机理以及水伏效应的应用潜力和技术发展等方面作了大量的研究。该团队进一步指出，水伏效应发展的关键之一在于深入认识固液界面和高效水伏效应材料的制备，尤其是界面的电荷转移和传输规律。

    该团队对石墨烯等二维覆层体系的流—固—电耦合开展了系统的研究，发现了石墨烯新的动电效应，命名为曳势、波动势。这些成果提升了水伏技术的发展潜力。

    “曳势”即液滴在涂覆单层石墨烯的固体表面运动时，产生与液滴运动速度成正比的拖曳液滴发电。这一现象不禁让我们想象：把石墨烯放在手机屏幕上，水滴在上面一滚，就能转化为电能。而且水滴滚得越快，转化的电量就越多。

    与液滴相比，水的波浪蕴含着更巨大的能量，而这种“波动势”能量可以通过和拖曳势相似的方法获得。

    去年5月，该团队与华中科技大学合作，发现在廉价碳纳米材料薄膜中，大气环境下水的自然蒸发产生了持续的伏级电压和直流电流，数平方厘米薄膜产生的电能已经能够直接驱动液晶显示器。最近的实验还发现，空气中的湿度变化也可以通过碳纳米材料转换成电信号。

    “水伏”的未来

    “水伏效应的理论与技术研究目前仍处在起步阶段，但其所展示的发展潜力和独特应用前景已透出水伏科学技术的曙光。”中国科学院院士、南京航空航天大学教授郭万林说。

    与对外部条件和环境有较大依赖性的光伏发电技术相比，水伏发电技术几乎完全借助水的自然过程。以蒸发发电为例，蒸发无处不在，不受天气、昼夜、空间的影响，而且可以结合风能、热能和太阳能提高蒸发发电量，使得蒸发能利用在理论上具有比光伏技术更大的空间。

    迄今为止，研究人员挖掘并设计了其他材料结构以研究水伏效应，以期将水体中储存的巨大能量直接转化为电能。

    但专家表示，功率密度和转化效率低仍是制约水伏发电应用的主要问题。现有报道的水伏器件，电流密度在数十微安级，输出功率一般介于亚微瓦到毫瓦量级，远远不能与现有的电力设备相提并论。

    张助华补充道：“经过几年的研究，如果我们有幸能实现毫安级电流输出，就基本可以给手机充电了，还可以驱动大部分的移动电子器件。”

    张助华预期，水伏效应发电将是现有绿色能源体系的有力补充。但水伏效应发电是否能真正走进大众生活还取决于后续研究，需要更多科研人员的共同努力。

    论文相关信息：

    DOI:10.1038/s41565-018-0228-6

    DOI:10.1038/nnano.2016.300