近日，数理信息学院窦卫东教授团队在纳米科学与技术领域国际顶级期刊《Nano Letters》上发表了一项最新突破性成果。团队成功研发了一种基于集成气凝胶的水伏发电装置（IA-HVG），突破性地实现了高效水伏发电与同步海水淡化。数理信息学院物理学专业研究生陈容为该论文的第一作者，数理信息学院窦卫东教授、青年教师侯保飞等为本论文的通讯作者。
水伏发电器件（HVGs）通过利用自然界普遍存在的水能发电，为下一代绿色能源转换系统提供了极具前景的解决方案。然而，如何进一步优化器件结构以提升发电效率并融合多重实用功能，是推动该技术迈向广泛应用的关键。
研究团队采用氨基碳纳米管（NCNT）分散液和壳聚糖（CS）作为前驱体，通过钙离子和无水乙酸的交联作用并在加热搅拌下形成均匀凝胶，经冷冻干燥技术制备出水伏发电机件（IA-HVG）。得益于CS与NCNT交联形成的海绵状多孔结构为水分子和离子的传输创造了极佳的微通道，并表现出对阴离子的固有选择性。在无水状态下，装置电压为零，当引入氯化锂溶液（LiCl）并开始蒸发时，离子在浓度梯度的驱动下开始定向迁移。此外，器件中创新性地植入了铝-铜（Al-Cu）不对称电极，使得铝离子（Al³⁺）能够持续生成并实现定向迁移，从而进一步增强了电输出。
图1. IA- HVG的制备与形貌。(a)IA- HVG制备流程示意图。(b)IA- HVG侧面视图的SEM图像。(c)IA- HVG顶部视图的SEM图像。(d)IA- HVG的形貌特征。(e)IA- HVG的EDS分析结果。
图2. IA- HVG的表征结果。（a和b）IA- HVG的孔径分布和比表面积与CS气凝胶的对比。(c)通过Kelvin探针获得的IA- HVG表面静电势分布图。(d)从IA- HVG静电势图中提取的表面电势线扫描图。(e)CS气凝胶与IA- HVG的电势分布。(f)不同样品的FTIR光谱。(g)IA- HVG中C1s轨道的XPS分析。(h) NCNT与IA- HVG的拉曼光谱。(i) NCNT与IA- HVG的XRD图谱。
图3. IA- HVG性能优化。(a)使用Keithley 2450源表记录的IA- HVG电流-电压特性曲线。(b)不同负极材料制备器件的发电性能对比。(c)不同电解液条件下IA- HVG的电输出性能。(d)不同含量纳米碳纳米管对电流的影响。(e) IA- HVG用塑料薄膜封装后的电输出性能。(f)不同外部电阻下IA- HVG的负载电流与负载电压。(g) IA- HVG在最佳负载条件下的输出性能。
图4. IA- HVG装置的工作原理。(a) CS气凝胶的功率性能。(b) IA- HVG在不同蒸发速率下的输出电压。(c和d)采用Cu−Cu与Cu−Al电极的器件性能对比。(e) IA- HVG发电机制示意图。
图5. IA- HVG的集成与实际应用。（a和b）不同配置设备的电气输出对比。(c)IA- HVG作为照明电子设备的电源。(d)IA- HVG漏电检测的照片。(e)单个IA- HVG为不同容量电容器供电。(f)两组IA- HVG设备为商用电容器充电。
基于上述微观结构，该装置实现了高效的产电，即通过蒸发驱动水分子的定向迁移，选择性地促使移动离子（主要是氯离子，Cl⁻）穿过微通道，实现从高浓度端向低浓度端的持续移动。同时，NCNT的加入不仅增强了器件的导电性，还显著提升了光吸收性能，共同促进了发电和海水淡化的效率。结果表明，在1个标准太阳光照（1 sun）条件下，IA-HVG装置展现出优异的性能：其海水蒸发速率达到了1.76 kg·m⁻²·h⁻¹，产电功率密度高达657.80 μW·cm⁻²，较传统水伏发电器件实现了一个数量级的提升。这项研究不仅揭示了水能转化为电能的深层机制，更为开发具备蒸发驱动发电与海水淡化的双重功能先进器件提供了新策略。
文章链接，DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c00700
