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撰文 | 張二七

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水力發(fā)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(fā)電主要利用水位落差，將水的勢能轉(zhuǎn)化為水輪的機(jī)械能，從而推動發(fā)電機(jī)并產(chǎn)生電。然而受到技術(shù)的限制，目前的水力發(fā)電只利用了海浪、潮汐、河流的中高頻運(yùn)動，而這些水體，甚至雨水中蘊(yùn)藏的低頻動能一直未能很有效率地轉(zhuǎn)化為電能。

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近日，由香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系的王鉆開教授、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的曾曉成教授和中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士合作領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，研發(fā)出了一種新型的水滴發(fā)電機(jī)（droplet-based electricity generator, DEG）。這項研究發(fā)表在《自然》雜志上，新型水滴發(fā)電機(jī)的瞬時功率密度，即每平方米在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的最大電能可達(dá)50.1W，是其他原理類似的水滴發(fā)電機(jī)的數(shù)千倍。實驗顯示，一滴水產(chǎn)生的電能足以點(diǎn)亮100盞小LED燈。

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兩個關(guān)鍵設(shè)計

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多年來，許多科學(xué)家都在研究這種發(fā)電方式。此前根據(jù)摩擦起電效應(yīng)制造的水滴發(fā)電機(jī)，利用每個液滴撞擊表面時的摩擦和靜電感應(yīng)產(chǎn)生電力。但一滴水能夠產(chǎn)生的表面摩擦電荷非常少，因此這種傳統(tǒng)水滴發(fā)電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化效率非常低。

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為了實現(xiàn)更高的電能轉(zhuǎn)化率，最新研究采用了兩項關(guān)鍵設(shè)計。首先，研究團(tuán)隊使用了一種可以長期保有電荷的永電體材料——聚四氟乙烯（PTFE）。該研究團(tuán)隊在2019年發(fā)表于《自然》雜志的另一項研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水滴持續(xù)不斷地撞擊PTFE薄膜時，摩擦起電產(chǎn)生的表面電荷能夠不斷在PTFE膜中積累，直至飽和。這樣，經(jīng)過液滴的連續(xù)撞擊后，PTFE就能夠儲存高密度的表面電荷。這樣就解決了過去水滴發(fā)電機(jī)中，電荷密度低導(dǎo)致的低效率問題。

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縱坐標(biāo)為隨著水滴不斷落下，PTFE膜中逐漸積累的電荷量（nC），橫坐標(biāo)為水滴落下的數(shù)量（萬滴）。在大約16000滴時，PTFE膜中的電荷量達(dá)到了飽和。（圖片來源：Xu et al., 2020）

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那么要如何利用這些電荷進(jìn)行有效發(fā)電呢？這就要提到水滴發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)了。整個水滴發(fā)電機(jī)非常小巧，主要由一個鋁電極，以及一個表面覆有一層PTFE薄膜的銦錫氧化物（ITO）電極組成。在發(fā)電前，需要16000余次水滴滴落或直接注入離子，使PTFE積攢負(fù)電荷至飽和狀態(tài)。這時，水滴發(fā)電機(jī)可以開始運(yùn)行。

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整個發(fā)電過程可以分為三步：1）在PTFE帶有一定電荷的情況下，通過靜電感應(yīng)，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表面，并接觸到鋁電極時，水滴接通了鋁電極和ITO兩個電極之間的通路，使ITO的正電荷向鋁極轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生電流；3）水滴滑落后，電路斷開，由于靜電感應(yīng)ITO繼續(xù)積攢正電荷，等待下一滴水的循環(huán)。

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水滴發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（a）與實物圖（b）。（圖片來源：Xu et al., 2020）

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在整個過程中，PTFE膜上積累的表面電荷并未釋放，開始發(fā)電后，整個電路中電流的來源其實是ITO在每個循環(huán)中通過靜電感應(yīng)儲存的正電荷。由于靜電感應(yīng)，電路斷開時其正電荷數(shù)量與PTFE上積累的電荷量相同。也就是說，每一滴水的發(fā)電量都是之前16000余次水滴滴落摩擦起電量的總和。

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水滴發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，正是研究的另一項關(guān)鍵突破。據(jù)文章的通訊作者王鉆開教授介紹，這個結(jié)構(gòu)類似于1956年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的場效晶體管（FET三極管）的結(jié)構(gòu)。三極管由柵極、源極、漏極三個極組成，通過控制柵極，就能控制源極和漏極之間是否連通，從而進(jìn)一步控制兩極之間電荷的流動。這個看似簡單的結(jié)構(gòu)卻是集成電路的最基本單元，它的發(fā)明深刻地改變了信息傳遞的方式。

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在新研發(fā)的水滴發(fā)電機(jī)中，PTFE/ITO與鋁電極就類似于三極管中的源極和漏極，用于儲存和轉(zhuǎn)移電荷。水滴除了完成發(fā)電前PTFE膜電荷積累之外，在發(fā)電過程中還起到了類似柵極的作用。隨著水滴滴落，它也成為了一個定期自動連通和斷開的開關(guān)，控制著整個電路。

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一滴水點(diǎn)亮百盞LED燈

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王鉆開教授表示：“我們的研究表明，從15厘米的高度釋放一滴0.1毫升的水，就能產(chǎn)生140V以上的電壓，其功率可以點(diǎn)亮100盞小型LED燈。”而瞬時發(fā)電效率的提升全部來源于水滴自身動能的充分利用?！斑@些水滴撞擊的動能源于重力，可以說是免費(fèi)和可再生的。充分利用這種資源，能夠減少我們對化石燃料的依賴，有助于世界的可持續(xù)發(fā)展?！?/p>

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除了自來水，這種新型的水滴發(fā)電機(jī)還可以從雨滴和海水中收集能量。比如研究者設(shè)計了一個雨水收集和流速控制裝置。只需要調(diào)節(jié)流速控制器中毛細(xì)管的直徑和釋放高度，就能夠精確控制用于發(fā)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(xù)的液滴陣列。

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對于未來的研究方向，王鉆開教授在接受《環(huán)球科學(xué)》采訪時表示：“我們的轉(zhuǎn)化效率比傳統(tǒng)的液滴發(fā)電高上千倍，但是離實際應(yīng)用還需要進(jìn)一步優(yōu)化，把輸出功率進(jìn)一步提高?！?/p>

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考慮到整個方案的實際可行性，研究團(tuán)隊采用的都是最簡單的設(shè)計，并不需要特殊的二維材料或者超疏水材料等。王鉆開教授希望，這個設(shè)計未來可以推廣到各種各樣的固液接觸面上：“我們這個工作的突破就在于，用最簡單的設(shè)計解決了這個領(lǐng)域最關(guān)鍵的問題之一。這是一個普適的設(shè)計，就像三極管改變了電子行業(yè)，這項研究應(yīng)該也有改變固液發(fā)電的潛力。未來它可以用在任何場所，從微納器件到藍(lán)色海洋，只要有水和固體的相對滑動，就可以進(jìn)行發(fā)電?！?/p>

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原始論文：

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

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