Matter：偶極效應(yīng)增強(qiáng)的液流電流發(fā)電機(jī)

隨著全球能源需求持續(xù)增長(zhǎng)以及環(huán)境問(wèn)題日益突出，開(kāi)發(fā)綠色、可持續(xù)的能源獲取技術(shù)已成為重要研究方向。液流發(fā)電技術(shù)能夠利用水滴、水流等自然環(huán)境中的能量，通過(guò)水–固界面電動(dòng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)以及可持續(xù)供能等優(yōu)勢(shì)。在LSCG中，離子的遷移速率以及離子濃度梯度的穩(wěn)定性是決定輸出性能的關(guān)鍵因素。然而，現(xiàn)有器件往往僅依賴(lài)濃度梯度驅(qū)動(dòng)離子遷移，導(dǎo)致電流快速衰減，難以實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定輸出。為解決這一問(wèn)題，本研究提出一種“材料—界面—電場(chǎng)協(xié)同調(diào)控策略”。通過(guò)構(gòu)建具有高比表面積和高zeta電位的Al2O3/UIO-66/PVDF復(fù)合活性材料，并在器件中引入鐵電PVDF薄膜偶極場(chǎng)，顯著增強(qiáng)器件內(nèi)部電場(chǎng)，從而加速離子遷移并延長(zhǎng)離子濃度梯度維持時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高性能輸出。

圖1.圖1. LSCG器件結(jié)構(gòu)與性能表征。(A) 偶極效應(yīng)增強(qiáng)的LSCG器件結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖；(B) 引入PVDF薄膜前后器件的表面Zeta電位變化；(C) LSCG在滴加50 μL水后的輸出電壓與電流曲線(xiàn)；(D) 器件在不同外部電阻下的輸出功率密度；(E) 本研究器件性能與已報(bào)道低品位水能發(fā)電器件的性能對(duì)比。

研究人員首先設(shè)計(jì)了一種由頂部電極、鐵電PVDF薄膜、復(fù)合活性層以及底部電極組成的LSCG結(jié)構(gòu)。當(dāng)水滴進(jìn)入器件內(nèi)部納米通道后，水分子會(huì)在界面發(fā)生電離，形成H+和OH-離子。在器件內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，離子沿著特定方向遷移，從而在電極兩端形成穩(wěn)定的電勢(shì)差并產(chǎn)生電流輸出。

通過(guò)引入鐵電PVDF薄膜所產(chǎn)生的偶極效應(yīng)，器件界面的電荷密度顯著提升，使材料表面的zeta電位明顯增加。這種增強(qiáng)的界面電場(chǎng)能夠有效提高離子遷移速率，并抑制離子反向擴(kuò)散，從而大幅提升器件輸出性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該器件的峰值電流達(dá)到1.5 mA，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了顯著提升，同時(shí)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

圖2 偶極效應(yīng)增強(qiáng)LSCG輸出性能的理論模型。(A) 引入PVDF薄膜前后界面靜電勢(shì)分布；(B) 界面電荷密度變化；(C) 沿界面方向的電荷密度分布曲線(xiàn)；(D) 納米通道中OH?離子濃度分布模擬；(E) 離子遷移與濃度梯度變化；(F) LSCG內(nèi)部離子遷移與發(fā)電機(jī)理示意圖。

為了深入理解偶極效應(yīng)對(duì)器件性能提升的機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合密度泛函理論（DFT）計(jì)算與數(shù)值模擬對(duì)器件界面電場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。計(jì)算結(jié)果表明，鐵電PVDF薄膜所產(chǎn)生的偶極場(chǎng)能夠顯著增強(qiáng)界面電勢(shì)梯度，從而提高離子遷移驅(qū)動(dòng)力。

同時(shí)，模擬結(jié)果顯示，在偶極效應(yīng)作用下，納米通道內(nèi)OH-離子的遷移速度明顯提升，并在電極兩端形成更穩(wěn)定的離子濃度梯度。這種穩(wěn)定的離子遷移過(guò)程能夠持續(xù)驅(qū)動(dòng)電子流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電流輸出。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了偶極效應(yīng)在提升LSCG性能方面的重要作用。

圖3 (A)不同Al2O3/UIO-66摩爾比對(duì)輸出性能的影響；(B) 活性材料與PVDF粘結(jié)劑質(zhì)量比對(duì)輸出性能的影響；(C) 不同PVDF薄膜厚度對(duì)器件輸出的影響；(D) 不同水滴體積對(duì)輸出性能的影響；(E) 不同水溫條件下器件輸出變化；(F) 不同濕度條件下的輸出穩(wěn)定性；(G) 不同NaCl濃度對(duì)器件輸出性能的影響；(H) 器件面積對(duì)輸出電流的影響；(I) 多次循環(huán)測(cè)試下的器件穩(wěn)定性。

為了進(jìn)一步優(yōu)化LSCG器件性能，研究人員系統(tǒng)研究了材料比例、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及環(huán)境條件對(duì)輸出性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Al2O3與UIO-66的比例達(dá)到最佳值時(shí)，復(fù)合材料具有更高的比表面積和界面電荷密度，從而顯著提升離子遷移效率。

此外，適當(dāng)?shù)腜VDF粘結(jié)劑含量和薄膜厚度有助于形成穩(wěn)定的納米通道結(jié)構(gòu)，并維持較高的界面電場(chǎng)強(qiáng)度。研究還發(fā)現(xiàn)，水滴體積、水溫以及環(huán)境濕度等因素均會(huì)影響器件輸出，其中適量水滴能夠促進(jìn)水分在納米通道中的滲透，從而形成更穩(wěn)定的流動(dòng)電流。

值得注意的是，當(dāng)器件面積增加時(shí)，輸出電流呈現(xiàn)近似線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，這表明LSCG器件具有良好的規(guī)模化擴(kuò)展?jié)摿ΑＭ瑫r(shí)，在多次循環(huán)測(cè)試以及長(zhǎng)期環(huán)境放置條件下，器件仍能保持穩(wěn)定輸出，展示出良好的可靠性和耐久性。

圖4 LSCG陣列及應(yīng)用演示。(A) 基于LSCG陣列的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖；(B) 串聯(lián)與并聯(lián)連接下的輸出電壓與電流；(C) 單個(gè)器件對(duì)不同電容的充電能力；(D) 多個(gè)器件串聯(lián)充電曲線(xiàn)；(E) LSCG陣列驅(qū)動(dòng)計(jì)算器、LED燈、溫濕度計(jì)和手機(jī)等電子設(shè)備；(F) LSCG陣列為植物環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器供電。

在完成單個(gè)器件性能優(yōu)化后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)方式構(gòu)建LSCG發(fā)電陣列，以提高整體輸出能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)串聯(lián)連接可以顯著提升輸出電壓，而并聯(lián)連接則能夠增加輸出電流，從而滿(mǎn)足不同電子設(shè)備的供能需求。

基于該陣列系統(tǒng)，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算器、LED燈、溫濕度計(jì)等低功耗電子設(shè)備的直接供電，并進(jìn)一步演示了為手機(jī)充電的能力。這表明LSCG不僅具備良好的能量收集能力，同時(shí)也具備良好的系統(tǒng)集成潛力。

在應(yīng)用方面，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種自供能智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用灌溉過(guò)程中產(chǎn)生的水滴驅(qū)動(dòng)LSCG陣列，為土壤溫濕度傳感器以及無(wú)線(xiàn)通信模塊提供電能，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)依賴(lài)電池或太陽(yáng)能的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，該技術(shù)具有部署靈活、能源可持續(xù)以及維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)與分布式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了新的能源解決方案。

綜上所述，本研究提出了一種偶極效應(yīng)增強(qiáng)的LSCG設(shè)計(jì)策略，通過(guò)構(gòu)建高比表面積的Al2O3/UIO-66/PVDF復(fù)合材料并引入鐵電PVDF薄膜偶極場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)界面電場(chǎng)和離子遷移行為的有效調(diào)控。該策略顯著提升了器件的輸出性能和穩(wěn)定性，使LSCG在微量水滴驅(qū)動(dòng)下即可產(chǎn)生毫安級(jí)電流輸出，并保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。同時(shí)，通過(guò)器件陣列集成進(jìn)一步展示了LSCG在智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤溫濕度、電導(dǎo)率及氣體濃度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本研究為低品位水能的高效利用提供了新的設(shè)計(jì)思路，也為分布式能源與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的自供能技術(shù)發(fā)展提供了重要參考。

論文信息

Dipole effect enhanced liquid stream-current generator

Endian Cui, Pengfan Wu, Fayang Wang*, Shiwei Xu, Danni Yang, Jiaqian Yang, Wangyang Zhang, Chenxi Zhao, Yi Yang, Yifan Bu, Man He, Xiaojing Mu*, Zhong Lin Wang*

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102632

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