第一作者：余飞

单位：长春工业大学

本文通讯：吕威

【简介】

蒸发是分子由液态转化为气态并自发从环境吸收热量的过程，通过蒸发将环境中的热能转换成有用的电能，是一种新型的绿色发电方式。其中，水分蒸发作为一种自然且连续发生的现象，在一些多孔炭黑薄膜上已被证实可以产生电能。2017年，科学家首次发现水的自然蒸发可以在碳纳米材料中诱导产生持续的伏级电压，并证明流动势在其中的重要作用；之后，许多独立的团队在不同的多孔功能材料中发现了类似的蒸发生电效应，但都用经典的流动势来解释。尽管研究人员提出极性分子和材料之间的直接相互作用也可能引起电荷传输，但由于多孔材料中的蒸发总能诱导形成毛细流、产生显著的流动势，超越流动势的蒸发生电机理从未被真正发现。

【成果简介】

近日，长春工业大学材料科学与工程学院吕威团队在Wiley旗下的能源旗舰期刊Advanced Science发表研究论文：“High hydrovoltaic power density achieved by universal evaporating potential devices”。报告了一种由亲水碳布和锌片组成的不对称水伏发电装置，利用碳布表面的水蒸发消耗水和氧气产生电能，提出电容器与水蒸发装置的集成，水蒸发过程为电容器的连续充电，提供稳定的电压，产生142.72 uW cm^-2 的功率密度。据我们所知，这样只消耗水和空气的简单设备结构是绿色和环境可持续的，并且设备的电流密度和功率密度都是同类水电器件中最高的。该装置中简易结构和廉价材料增加了水生伏发电装置能够实现商业应用的可能性。

【结果分析】

图 1. (a) 实验装置示意图;（b） 电压和电流密度随蒸发时间的变化。

图1a是该装置的示意图，其中Zn片和亲水碳布通过滤纸形成夹层结构。其机理解释如下：在步骤1中，吸附在碳材料表面的水分子吸收环境热能并剧烈振动。一些水分子在振动后从碳材料表面逸出，实现了蒸发过程。在水分子从碳材料逸出的瞬间，碳材料的表面电荷受到局部水分子的干扰，导致局部电子密度的增加和碳材料表面电子的激发。激发的电子与碳材料表面的水分子和氧相互作用（步骤2）产生OH^-（步骤3），然后在金属电极的高电极电位和金属电极与碳材料之间的高电位差的帮助下迁移（步骤4），产生高电流输出（步骤5）。滴加去离子水后，在Zn片和碳布之间检测到稳定的电压（1.07 V）和电流密度（825.54 uA / cm²），如图1b所示。

图2.（a） 器件间歇浸入水中的电流时间曲线;（b）间歇性暴露在N2和空气中的装置的电流时间曲线;（c）装置的CV曲线;（d） 和（e）是在不同的器件结构和测量条件下实现的电压和电流密度;（f） 在不同条件下测量的碳布表面电流。I：不滴水，II：滴水，III：滴水和光照，IV：浸入水中，V：不滴水用加热板升温，VI：滴水并用热板升温;（g） 电压和电流密度随负载的增加而变化;（h） 功率密度随负载的增加而变化。

图2a显示了将设备浸入水中和暴露在空气中时，设备的输出电流。图2b是器件间歇性暴露在N₂和空气中的电流曲线。图2c是在不同扫描速率下测量的器件的循环伏安曲线，没有发现与氧化还原相关的峰，排除了形成锌空气电池的可能性。图2e显示了使用不同器件结构实现的电压和电流密度，如图2d所示，表明电流的产生可能与碳布表面的水蒸发和与氧气的反应有关。为了确定电流产生与水分蒸发之间的关系，测量了不同环境下碳布表面的电流，如图2f（I-VI）所示。根据以上结果得出结论，水蒸发是产生电流的原因，电流的大小与水蒸发的速度有关。蒸发速度越快，电流越大。如图2h所示，在900 Ω时可以实现142.72 uW cm^-2的峰值输出密度。

图3.（a） 设备翻转时的电流输出;（b） 湿度变化时的电流曲线;（c）气流加速蒸发时的电流输出;（d）设备正常运行时改变温度后的电流曲线;（e）在碳布一侧装有多壁碳纳米管的装置的电流输出;（f）不同氧气浓度时的电流曲线;（g）打磨和不打磨Zn时的电流输出;（h） 碳对称电极时的电流电压输出;（i）Zn自腐蚀电流电压。

图3a所示，翻转器件结构以测量电流，结果表明水分蒸发对器件性能有显著影响。图3b中显示设备的电流输出随着湿度的增加而逐渐降低。图3c所示，有气流时器件的电流输出增加。图3e表明碳纳米管表面的水蒸发影响了器件的电流输出。在图3f中，氧气的存在对器件的输出电流有直接影响。图3g中显示锌表面具有氧化膜仍然可以产生相同的性能。图3h显示用碳电极代替Zn电极也会产生电流输出。图3i显示Zn的自腐蚀电流。

图4. 发电机理示意图。（a）从CC到H₂O表面的电子转移;（b）H₂O蒸发后CC表面的电子;（c）与周围H₂O和O₂的电子产生OH^-;（d）羟基迁移产生电流;（e-f）吸附在碳布表面的水分子的差分电荷密度图;（g）水分子引起的碳布表面电场波动;（h）通过水分子极化吸附氧而形成OH^-的过程;（i）模拟100个水分子簇的蒸发过程;（j）碳布的傅里叶变换红外光谱。

图4a所示为H₂O和O₂在CC表面吸附的示意图。图4b所示，当水分子吸收热量并破坏氢键时，它们会蒸发到空气中，多余的电子会随着水的蒸发瞬间转移到CC表面。图4c所示，由水分子蒸发引起的激发电子立即被CC表面的H₂O和O₂提取，生成OH^-。图4d所示，Zn和CC形成的电位使OH^-在电场力作用下迁移形成电流。图4e显示水分子吸附在碳布表面，碳布采用无序碳原子模型。图4f显示，水分子极化后氢原子表面的电荷与碳层表面的自由电子耦合，有利于与吸附在水面上的氧分子相互作用。图4g显示了由水分子引起的碳布表面的电场波动，说明水分子影响碳层表面的电场分布并具有耦合效应。图4h解释了水分子吸附在碳层表面并极化形成OH^-离子的过程。图4i是100个水分子簇在40°C下的蒸发过程模拟。图4j显示了亲水处理前后碳布的FTIR光谱。

图5.（a）三个串联装置驱动一个计时器;（b）串联和并联以驱动16个LED的装置;（c）水生伏打装置结构图示;（d）以10 uA放电时滴下三滴水后的V-t曲线;（e）使用不同金属电极达到的电压和电流密度;（f）将目前的工作与以前的报告进行比较。

图5a显示了三个串联器件来驱动定时器。图5b显示，该器件可以集成到电源中以驱动16个LED。图5c是该进器件结构的示意图。图5d显示，加入3滴水后，器件以10μA的恒定电流放电18h。图5e显示各种金属电极也可以实现电流和电压输出。在图5f中，表明与以前的报告相比，目前的设备实现了最佳记录。

【结论与展望】

该论文工作提出了一种由碳布和锌片组成的不对称水伏发电装置，不同于之前报道的由流动势主导的蒸发诱导电压，这种电势来源于极性分子蒸发驱动的材料内部的载流子移动，消耗水和氧气产生电能，为发展利用自然蒸发进行能量转换的水伏能源技术提供了新的思路。

Fei Yu, Jialun Li, Yi Jiang, Liying Wang, Xijia Yang, Yue Yang, Xuesong Li, Ke Jiang, Wei Lü, Xiaojuan Sun. High hydrovoltaic power density achieved by universal evaporating potential devices, Advanced Science. 2023, DOI: 10.1002/advs.202302941