隨著可再生能源需求的不斷增加，能源收集技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。特別是水伏技術(shù)作為一種新興的能源收集方式，因其能夠從水中直接生成電能而備受矚目。這種技術(shù)的核心在于利用水流的動(dòng)能或水滴的重力勢(shì)能來驅(qū)動(dòng)電荷的遷移，從而實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。盡管已有多種水伏設(shè)備的開發(fā)，主要依賴于毛細(xì)管滲透、蒸發(fā)等機(jī)制，當(dāng)前大多數(shù)技術(shù)仍面臨發(fā)電效率低、持續(xù)發(fā)電時(shí)間短等問題。這些設(shè)備通常只能在水流動(dòng)或水滴落下時(shí)工作，導(dǎo)致發(fā)電的間歇性和限制性。

上游質(zhì)子擴(kuò)散是一種涉及在水流方向相反的情況下質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)。然而，目前的研究主要集中于下游離子傳輸和流動(dòng)電位的機(jī)制，這使得上游質(zhì)子擴(kuò)散的潛在應(yīng)用尚未被充分探索。因此，如何利用上游質(zhì)子擴(kuò)散生成穩(wěn)定的電能，成為了亟待解決的科學(xué)問題。

為此，清華大學(xué)深圳研究院丘陵副教授聯(lián)合南京航空航天大學(xué)郭萬林院士、殷俊教授和仇虎教授合作在Nature Nanotechnology期刊上發(fā)表了題為“Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels”的最新論文。研究團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)一種新型的MXene/聚乙烯醇（PVA）復(fù)合薄膜，探索了在二維納米通道內(nèi)的上游質(zhì)子擴(kuò)散機(jī)制。通過將水滲透到通道中，研究人員發(fā)現(xiàn)水分子促使表面官能團(tuán)解離，釋放出質(zhì)子，從而在通道內(nèi)形成高濃度的質(zhì)子。這種質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)方向與水流相反，形成了上游質(zhì)子擴(kuò)散，進(jìn)而生成電能。實(shí)驗(yàn)表明，僅用5微升的水滴，便可持續(xù)產(chǎn)生約400毫伏的電壓，長達(dá)330分鐘以上。

（1）本研究首次展示了在MXene/聚乙烯醇（PVA）復(fù)合薄膜的二維納米通道中，通過質(zhì)子上游擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)發(fā)電的機(jī)制。與傳統(tǒng)的下游離子傳輸不同，該機(jī)制表明質(zhì)子可以逆水流方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而生成電壓。

（2）實(shí)驗(yàn)通過將水滴滲透到納米通道中，觀察到水的滲透導(dǎo)致通道表面官能團(tuán)的質(zhì)子解離，進(jìn)而形成高濃度質(zhì)子。這一過程驅(qū)動(dòng)質(zhì)子上游擴(kuò)散，結(jié)果顯示僅用5微升水滴即可產(chǎn)生約400毫伏的開路電壓，并持續(xù)超過330分鐘，展示了該裝置的長效發(fā)電能力。

（3）與現(xiàn)有水伏設(shè)備不同，傳統(tǒng)設(shè)備的發(fā)電依賴于水流動(dòng)與離子同向移動(dòng)，且發(fā)電時(shí)間受限于水流的持續(xù)性。而本研究提供的解決方案利用了水分子和質(zhì)子運(yùn)動(dòng)的不同方向，顯著延長了電能輸出的時(shí)間。

（4）此外，由于MXene/PVA薄膜的超薄和柔性特性，研究成果還促成了可穿戴設(shè)備的開發(fā)，使其能夠從人體汗液中收集能量，具有廣泛的應(yīng)用潛力和便利性。

圖1：MXene/聚乙烯醇poly(vinyl alcohol) 復(fù)合膜composite film，MPCF設(shè)備的配置、特性和性能。

圖2：常規(guī)機(jī)制的排查。

圖3：在MXene/聚乙烯醇復(fù)合膜MPCF中，極慢的水滲透。

圖4：質(zhì)子上游擴(kuò)散upstream diffusion感應(yīng)電流。

圖5：器件集成和應(yīng)用。

本研究首先揭示了在二維納米通道中質(zhì)子上游擴(kuò)散的獨(dú)特機(jī)制，為水伏技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展指明了方向。傳統(tǒng)水伏設(shè)備主要依賴水流動(dòng)引發(fā)的離子運(yùn)動(dòng)，而本研究的發(fā)現(xiàn)表明，質(zhì)子的解離和擴(kuò)散也能有效生成電能。這一逆向機(jī)制的運(yùn)用，挑戰(zhàn)了以往對(duì)水與電能關(guān)系的理解，提示我們?cè)谠O(shè)計(jì)新型能量收集設(shè)備時(shí)，可以考慮更廣泛的物質(zhì)遷移過程。

其次，研究強(qiáng)調(diào)了材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電能生成效率的影響。MXene/PVA復(fù)合薄膜的使用展現(xiàn)了其在水伏應(yīng)用中的潛力，其超薄和柔性的特性為可穿戴設(shè)備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這種材料的組合不僅提升了電能輸出的持續(xù)性，還使得設(shè)備在各種實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中更具適應(yīng)性。

質(zhì)子解離和擴(kuò)散過程在自然界中廣泛存在，這為未來在多種水環(huán)境中開發(fā)新型水伏設(shè)備提供了啟示?？茖W(xué)家們可以探索其他具有類似特性的材料和機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)更高效的能量收集和利用，推動(dòng)可再生能源技術(shù)的進(jìn)步。

最后，這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究具有重要意義，也為可持續(xù)能源的應(yīng)用提供了新的視角，鼓勵(lì)更多的跨學(xué)科合作與創(chuàng)新，從而促進(jìn)清潔能源技術(shù)的快速發(fā)展，響應(yīng)全球?qū)稍偕茉葱枨笕找嬖鲩L的挑戰(zhàn)。

Xia, H., Zhou, W., Qu, X. et al. Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01691-5