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研究背景
水伏技术是从水中收集能量的一种新兴领域，因其可以通过水与纳米材料的直接相互作用而产生电力，近年来受到了广泛关注。该技术相较于传统的机械能转换和电磁发电方式，具有更高的便携性和操作简便性，能够有效地利用自然界中丰富的水资源。特别是在环境保护和可再生能源的背景下，水伏设备的开发为绿色能源的获取提供了新的思路。
然而，现有的水伏设备主要依赖于水的下游流动来驱动离子的移动，这一过程往往导致发电时间有限，一旦水滴完全润湿薄膜，电力生成便会迅速停止。因此，如何实现持久的电力输出成为该领域面临的重要挑战。
研究内容
有鉴于此，清华大学深圳研究院丘陵副教授联合南京航空航天大学郭万林院士、殷俊教授和仇虎教授合作在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels”的最新综述文章。科学家们开始探索新机制以增强水伏发电的持续性。最近的研究显示，在MXene/聚乙烯醇（PVA）复合薄膜的二维纳米通道中，质子可以逆着水流方向移动，这一现象被称为“上游质子扩散”。通过实验和模拟相结合的方法，研究团队发现，仅用5微升水滴，便可在超过330分钟内持续产生约400毫伏的电压。这一发现不仅为水伏技术的理论基础提供了新的视角，也为设计更高效的能量收集设备开辟了新的方向。
图文解读
（1）实验首次展示了在MXene/聚乙烯醇（PVA）复合薄膜的二维纳米通道中，质子逆水流方向的运动（上游质子扩散）可以有效发电。这一发现与传统的下游离子传输机制形成鲜明对比，推动了水伏技术的进一步发展。
（2）通过对毛细管渗透和质子运动的实验与模拟研究，得到了以下结果：
⚪ 渗透水导致通道表面官能团的质子解离，从而在通道内形成高浓度的质子。
⚪ 质子在水流的驱动下逆向扩散，产生了约400毫伏的开路电压，持续时间超过330分钟，仅需5微升的水滴。
⚪ 该过程显示了通道中水的扩散速度极慢，确保了持续的电压输出，克服了传统水伏设备的局限性，如发电时间短暂。
（3）基于这一原理，研究团队开发出一种可穿戴设备，能够有效地从人类皮肤汗液中收集能量，为未来的能量收集技术提供了新的思路和应用方向。通过本研究，水伏技术的潜力得以显著拓展，为可持续能源的开发和利用奠定了基础。
图 1 | MXene/聚乙烯醇poly(vinyl alcohol) 复合膜composite film，MPCF设备的配置、特性和性能。
图 2 | 常规机制的排查。
图 3 | 在MXene/聚乙烯醇复合膜MPCF中，极慢的水渗透。
图 4 | 质子上游扩散upstream diffusion感应电流。
图 5 | 器件集成和应用。
结论展望
本研究揭示了在MXene/聚乙烯醇（PVA）薄膜的二维纳米通道中，上游质子扩散可以有效地实现发电，这一发现为水伏技术的发展提供了新的视角和思路。传统的水伏设备多依赖于水流动时离子的同向移动，发电效果往往受限于水的持续流动。而我们的研究展示了质子可以在水流相反的方向上移动，从而突破了这一局限。这一现象的实现是由于水滴在通道中润湿的过程中导致的质子解离，进而在通道内形成高浓度的质子，并驱动其向上游扩散。
这种上游质子扩散机制不仅提供了持久的电能输出，还表明质子解离和扩散在各种水环境中都是普遍的过程，这为未来设计更高效的水伏设备提供了广泛的可能性。例如，这一机制可以应用于雨水收集、湿气利用以及人类汗液等多种含水环境，推动可持续能源的开发。
此外，本研究所采用的MXene/PVA复合材料具有优异的导电性和柔韧性，使得新型水伏设备不仅具备高效能，还能够实现便携性和舒适性的结合。这为可穿戴技术的进步奠定了基础，尤其是在能源收集与健康监测领域的潜在应用。
该工作发表在Nature Nanotechnology上
文章链接（点击“阅读原文”）：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01691-5
