望洋兴“电”：如何利用无处不在的水蒸发产生电能

水资源覆盖71%的地球面积，源源不断的接收着近35%达到地表的太阳能，这部分能量多以水蒸发的方式耗散在大气环境里。如何高效利用源于水中的能量来产生电能是近年来能源领域研究的热点。近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院孙宝全教授（点击查看介绍）团队制备了一种利用水的蒸发微循环就能产生持续电能的器件。该器件能够利用大气环境中水蒸发引起的水的定向流动，实现电能的持续输出。

近年来，由于清洁环保、成本低廉、可大规模制备等特点，水伏发电已经成为新能源领域的研究热点。水伏发电器件多由具有孔隙结构的纳米材料制备，通过蒸发引起的水在孔隙中的流动，实现电荷的定向移动，从而实现对外电路的电能输出。然而由于材料电学性能的限制，水伏发电器件的电流密度普遍偏低，这大大限制了水伏发电器件的大规模应用。因此，选择优异电学性能的材料来可控制备纳米孔隙结构，是提高水伏发电效率的关键。

硅材料是近半个世纪以来最为成功的半导体材料。由于优异的电学特性、可控的制备工艺，晶硅材料已经广泛应用于多个商业化领域。苏州大学研究团队基于商用晶硅材料，借助湿法刻蚀在硅片表面制备出形貌均匀的硅纳米线阵列，并在其两侧分别引入栅格状石墨电极和银电极，实现硅基水伏器件的制备。对其电学性能测试发现，器件的开路电压和短路电流分别为0.4 V、55 μA/cm²，值得注意的是，相比于同类器件，电流密度提高了三个数量级。该种水伏器件还能够运用呼吸产生的水汽实现电压的输出。同时通过器件串联，可以很容易地实现商用LED灯珠的持续点亮。

通过研究该种硅基水伏器件的工作机理，该团队发现器件的发电效率与硅纳米线阵列的长度和形貌相关，输出性能与溶液的离子浓度呈反比。同时还发现，器件对温度异常敏感，在开放环境和密闭条件下均呈现出输出性能与温度的正相关。上述实验结果逐步揭示了器件的电能输出源于蒸发诱导的内部水流动。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是苏州大学硕士研究生秦元帅和博士后研究员王玉生。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Constant Electricity Generation in Nanostructured Silicon via Evaporation‐driven Water Flow

Yuanshuai Qin, Yusheng Wang, Xiaoyue Sun, Yajuan Li, Hao Xu, Yeshu Tan, Ya Li, Tao Song, Baoquan Sun

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.20200276

导师介绍

孙宝全

https://www.x-mol.com/university/faculty/18398