一杯平平無奇的鹽水也可以發(fā)電嗎？
或許你聯(lián)想到了鹽水導電實驗：把連接燈泡的導線插入鹽水中，燈泡就能被點亮。
（鹽水能夠?qū)щ?，但能產(chǎn)電嗎？）
但點亮的前提是燈泡要與外部電源（如電池）接通。燈亮是因為外部電源提供的電能，鹽水只負責傳導電能。
如果拿走電池，切斷電路，能讓一杯鹽水直接發(fā)電嗎？
近日，中科院理化技術(shù)研究所郭維研究員團隊找到了用一杯鹽水發(fā)電的方法。
要理解他們的工作成果，我們首先要知道電能，或者更具體地說是電流，產(chǎn)生的原因。
物理課上講過：「電子的定向遷移產(chǎn)生電流」。
其一，要有電子。其二，這些電子要依照一個特定的方向整齊移動。“各自為戰(zhàn)”、“不聽指揮”地瞎跑是不行的。
其實這第一條「電子」可以被拓展為更普遍的概念：「帶電粒子」。
（氯化鈉鹽溶液中存在大量Na+陽離子和Cl–陰離子）
所以，要讓鹽水產(chǎn)電，就得想辦法讓鹽水中的離子發(fā)生定向移動。
作者們找到的誘導離子定向遷移的驅(qū)動力是光能。
他們利用了半導體的特點——在光照下能產(chǎn)生帶正電的空穴和帶負電的電子。
如果能將正電性的空穴聚集在膜一側(cè)，將負電性的電子聚集在膜另一側(cè)，那么膜兩側(cè)因為極性不同，會在半導體內(nèi)部產(chǎn)生一個從空穴側(cè)指向電子側(cè)的內(nèi)部電場。
（半導體被光照后產(chǎn)生電子與空穴，二者分離、表面富集后產(chǎn)生內(nèi)部電場。）
有了電場，如果離子還能從該半導體膜內(nèi)通過，那離子的定向遷移就實現(xiàn)了，也就能產(chǎn)電了。
作者們制備如上所述的半導體膜的方法其實很便捷——抽濾。
具體來說，先分別制備WS2和MoS2納米片，然后將它們分別抽濾成膜。最后將兩張膜疊在一起，再抽濾，形成WS2/MoS2的雙層膜。
由于這種膜兩面化學組分不同，類似羅馬神話里長著前后兩張不同臉的兩面神「Janus」，所以又被稱為Janus膜。
（WS2/MoS2半導體Janus膜制備流程與Janus神頭像。圖源：流程圖 – Adv. Mater.；Janus圖 – Pinterest）
WS2和MoS2均是半導體，在光照下可以產(chǎn)生空穴與電子。此外，WS2和MoS2納米片之間存在縫隙，允許離子過膜。
（WS2/MoS2半導體Janus膜形貌及其元素分布。圖源：Adv. Mater.）
這張Janus膜便是讓鹽水發(fā)電的關(guān)鍵。
當一定能量的光照射在膜兩側(cè)時，WS2和MoS2將產(chǎn)生空穴與電子。
由于二者的電子能帶位置不同，形成了II型異質(zhì)結(jié)，使得WS2和MoS2中的電子能夠逐漸累積在MoS2面上，而空穴逐漸累積到WS2面上。
空穴與電子分離、聚集后，Janus膜內(nèi)部便形成了從WS2指向MoS2的電場。
理論上鹽水中的陽離子可從WS2側(cè)移向MoS2側(cè)，陰離子從MoS2側(cè)轉(zhuǎn)移到WS2側(cè)來。
但因為兩種納米片對陰離子排斥力很大，且WS2和MoS2納米片層間距只有大約8 ?左右，所以只有陽離子能穿過Janus膜到達另一側(cè)。
（WS2/MoS2半導體Janus膜光照下內(nèi)部電場產(chǎn)生原理與離子電流、電壓變化曲線。圖源：Adv. Mater.）
因此，陽離子發(fā)生定向遷移，鹽水就產(chǎn)電了。這樣由離子遷移產(chǎn)生的電流被稱為離子電流（ionic current）。
通過改變Janus膜兩面的半導體材料（能形成II型異質(zhì)結(jié)），溶液濃度和pH值，可以調(diào)控膜兩側(cè)的表面性質(zhì)，進而改變離子電流和離子能量大小。
在接近日光強度照射下（94.1 mW/cm2），WS2/MoS2 Janus膜在10-3 M KCl水溶液中能夠產(chǎn)生~21 μA/cm2的最大離子電流，~45 mV最大電壓。單位光照面積產(chǎn)生的最大功率接近2 mW。
（測試實驗裝置示意圖與最大功率Pmax、短路電流Isc、開路電壓Voc隨KCl濃度變化。圖源：Adv. Mater.）
將KCl換成其他鹽，這張Janus膜同樣能夠產(chǎn)電。
雖然這些產(chǎn)能數(shù)值還遠遠達不到日常需求電能的數(shù)量級，但本項工作為太陽能產(chǎn)電提供了一條新途徑。
以往利用溶液發(fā)電往往需要兩杯鹽濃度不同的溶液，即「濃差發(fā)電」。但這項工作僅依靠一杯濃度特定的溶液和陽光就能達到同樣產(chǎn)電的結(jié)果，更為便捷。
所以這項技術(shù)突破登上了材料科學頂級期刊Advanced Materials。
或許，當我們能夠制備穩(wěn)定、大尺寸的半導體Janus膜時，日常生活中的鹽水也能成為手機充電器。
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