基于炭黑的水蒸發(fā)產(chǎn)電：一種新型發(fā)電裝置

李軼

(DepartmentofChem istry and Biochemistry,University ofCalifornia,Santa Cruz,California 95064,USA)

基于炭黑的水蒸發(fā)產(chǎn)電：一種新型發(fā)電裝置

李軼

(DepartmentofChem istry and Biochemistry,University ofCalifornia,Santa Cruz,California 95064,USA)

過(guò)去的幾十年里，世界各國(guó)的科學(xué)家們一直致力于從復(fù)雜環(huán)境中收集能量，包括振動(dòng)能、太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能。而如何將日常環(huán)境中低品質(zhì)熱能有效地轉(zhuǎn)換成電能卻依然是一項(xiàng)非常有挑戰(zhàn)性的課題。傳統(tǒng)的流動(dòng)電位(stream ing potential)1通過(guò)外加的壓力差或者濃度差來(lái)產(chǎn)生電位差。對(duì)于如何在不使用額外的能源輸入的條件下，依靠自然的過(guò)程來(lái)發(fā)電，這方面的研究吸引了眾多科學(xué)家的興趣。自然界的水蒸發(fā)無(wú)處不在，這個(gè)過(guò)程伴隨著從周圍環(huán)境中收集熱能2。如果能夠?qū)⑦@部分能量有效地轉(zhuǎn)化為電能，將具有重要的科學(xué)意義和社會(huì)價(jià)值。

華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)周軍教授課題組、南京航空航天大學(xué)郭萬(wàn)林教授課題組以及中山大學(xué)鄧少芝教授和陳建教授課題組合作發(fā)現(xiàn)水在納米結(jié)構(gòu)的炭黑表面的蒸發(fā)可以產(chǎn)生電能。通過(guò)水分子的蒸發(fā)誘導(dǎo)的水在多孔碳中定向流動(dòng)，一塊幾平方厘米大小、數(shù)十微米厚的炭黑層在室溫條件下可以產(chǎn)生高達(dá)1 V的穩(wěn)定電壓。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)熱處理和等離子體處理在炭黑表面產(chǎn)生的官能團(tuán)，例如C―OH、C―O―C、C＝O以及O＝C―OH等，對(duì)于高的電壓生成至關(guān)重要。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，同等條件下未處理的炭黑層只能產(chǎn)生45μV的電壓。該研究?jī)H利用非常簡(jiǎn)易的材料和裝置即可將自然環(huán)境中無(wú)處不在的低品質(zhì)熱能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)電能。

相關(guān)工作近期發(fā)表在Nature Nanotechnology雜志上3，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化碳材料表面的水蒸發(fā)和流動(dòng)誘導(dǎo)電勢(shì)，這種新型發(fā)電裝置有望運(yùn)用于消毒、凈化水源以及海水淡化等方面4。此外，這種發(fā)電裝置在炎熱地區(qū)具有非常可觀的應(yīng)用前景。

(1)VanWagenen,R.A.;Andrade,J.D.J.Colloid Interface Sci. 1980,76,305.doi:10.1016/0021-9797(80)90374-4

(3)Xue,G.;Xu,Y.;Ding,T.;Li,J.;Yin,J.;Fei,W.;Cao,Y.;Yu,J.; Yuan,L.;Gong,L.;Chen,J.;Deng,S.;Zhou,J.;Guo,W.Nat. Nanotechnol.2017,doi:10.1038/nnano.2016.300

(4)Ghasemi,H.;Ni,G.;Marconnet,A.M.;Loomis,J.;Yerci,S.; Miljkovic,N.;Chen,G.Nat.Commun.2014,5,4449.doi: 10.1038/ncomms5449

A New Electric Generator Based on Water-Evaporation-Induced Electricity of Carbon Black

LIYat
(DepartmentofChemistry and Biochemistry,University ofCalifornia,Santa Cruz,California 95064,USA)

enman,H.L.Proc.R.Soc.Lond.A 1948,193,120.

10.1098/rspa.1948.0037

doi:10.3866/PKU.WHXB201702131

www.whxb.pku.edu.cn