本文以传播知识为目的，如有侵权请后台联系我们，我们将在第一时间删除。几百年来由于人们使用化石燃料作为工业化、交通、发电和供暖的主要能源，全球气候变化和空气污染问题日益突出，因此人们迫切地需要用清洁的可再生能源来替代化石燃料。太阳能是地球上最丰富的可再生能源之一，其中的一小部分已经能够通过光伏技术直接利用。绝大部分达到地球的太阳光热能量储存在地球的自然水循环和我们周围的大气中，比人类全球能耗高出成千近万倍，但其中只有体量较大的径流蕴含的机械能能够被水力发电收集。水循环中的其他自然过程如降雨、水蒸发和湿热大气等蕴含的能量，由于缺乏适当的科学方法和技术一直没有得到充分利用。近十年来，新兴的基于固液界面处力电耦合的水伏效应实现了从几乎所有与水相关的动态过程中获取电能，包括降雨、波浪、流动、蒸发和湿气。普遍存在的水蒸发和环境湿度以及丰富的流动水，使得水伏技术几乎可以在全年任何天气条件下无处不在地提供电力，可以缓解间歇性工作的太阳能和风力发电厂面临的电力储存需求。从自然水循环中提取水伏能量的过程不会产生碳排放，并具有负热排放的独特优点，因此水伏技术是一种有前途的绿色能源技术，为解决能源危机、气候变暖和环境污染问题开辟了一条富有前景的新途径。
近日，南京航空航天大学郭万林教授团队综述了从水运动、蒸发和环境湿气吸附过程中收集能量的水伏效应和水伏技术的最新进展，讨论了器件结构、不同固液界面上力电耦合介导的能量转换机理、材料选择和功能化等问题，总结了进一步优化和发展水伏技术的策略，展望了水伏效应和技术在未来发展中的机遇以及进一步提高输出性能以实际应用面临的挑战。
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图1. 水伏效应和水伏技术的历史发展过程
[文章要点]
1. 从水的运动中获取能量的水伏效应和水伏技术
本文首先将从水的运动中获取能量相关的水伏效应和水伏技术的发展分为了三个阶段：边界效应，界面效应和体效应。边界效应依赖于液滴或水体的三相边界运动诱导二维材料中的电子-空穴运动来产生电能，界面效应依赖于液滴撞击驻极体材料引起的界面电荷转移后底电极与驻极体材料之间的静电感应来产生电能，而体积效应与界面效应相比，形成了一个额外的水-电极界面和由此产生的闭环电荷转移，以进一步提高输出性能。经过这三个阶段，目前相关的水伏技术已经能够实现从一滴水中获得千伏级的瞬时电压和毫安级的瞬时电流。本文详细阐述了每个阶段涉及的器件结构和生电机制，并介绍了在每个阶段提出的提高输出的方法和不同的器件结构设计。
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图2. 从水的运动中获取能量的水伏效应和水伏技术的三个发展阶段
2. 从水蒸发中获取能量的水伏效应和水伏技术
通过简单地将亲水的纳米多孔材料一端置入水中，一端暴露在空气中，其两端沉积的电极之间能够产生伏级的持续电压。产生的持续电压源于水的自然蒸发过程，当蒸发过程被遏制时，电压信号几乎降为0。本文概述了目前发现的其背后的可能机制：流动势和蒸发势，而对其更完整深入的理解还需要进一步的研究。本文进一步总结了目前蒸发发电相关水伏技术使用的材料种类：碳材料、生物基材料、金属氧化物、半导体纳米线、金属衍生物和复合材料，列举了这些材料典型个例的性能并阐述了不同材料的特点和优势。
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图3.从水蒸发中收集电能的典型水伏器件
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本文总结了蒸发发电相关的输出性能的影响因素，包括固体的性质，液体的性质，环境因素以及工作模式。一般情况下，有利于加快蒸发过程的环境条件（低湿度，高温度，高风速等）能够显著提升水伏材料的输出性能。但是由于蒸发生电背后的机制尚未被完全理解，某些因素如溶液离子浓度，固体材料的孔径大小等对水伏性能的影响在不同的研究中呈现出一定的差异性，需要清晰的、系统的研究来进一步确认。本文还强调了在探讨蒸发发电机制时要注意避免氧化还原反应的参与，从而得出具有误导性的结论，因此应该使用铂或金电极而避免使用活性电极（Cu，Al等）。在涉及实际应用时，能够使用活性电极来增加输出降低成本，但是也应该明确其中氧化还原反应对输出的贡献。本文概述了从环境湿气中获取能量的水伏效应和水伏技术的发展历程，总结了近年来提出的提高吸湿发电器件输出的四种策略：优化材料孔径、设计不对称官能团分布、实施相工程和增加离子浓度，以及提高吸湿发电器件输出可持续性的四种策略：使用自我恢复材料、重建吸附与解吸平衡、预建湿度梯度以及结合吸湿层和蒸发层，并列举了相关水伏技术在能源供给和柔性器件领域的应用。展望： 尽管目前水伏技术的能量转换效率仍不足以满足工业需求，但全球科学家近年来的积极研究已经实现了其极快的发展，主要体现在输出电能的量级提升和丰富多样的材料和器件创新上。但是水伏技术在实际和广泛应用方面仍然面临着巨大的挑战。对于水运动相关的水伏技术，由于产生的输出电信号多为脉冲信号，器件个体输出信号之间的干扰难以避免，导致高效的器件集成十分困难；对于水蒸发相关的水伏技术，其背后的机制尚未被完全理解，限制了器件的优化设计和材料的定向制备，从而限制了其输出的进一步提高；对于环境湿气相关的水伏技术，其背后的机制更加复杂，涉及水在固体表面官能团中的吸附、解离、扩散和电荷分离，以及各种形式的水和离子，包括气态水、水二聚体、水三聚体、水团簇、质子和其他离子，这还需要多学科领域的共同努力进行细致的研究，以指导制备高效稳定可持续的器件。南京航空航天大学博士研究生胡涛和硕士研究生章可兰为文章共同第一作者，郭万林教授和邓威副研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划变革性技术专项等的资助。![]()
