电的发明无疑是一场深刻的革命，从爱迪生发明的电灯到现在各种各样的电子设备，电的出现不仅点亮了漆黑的夜晚，更推动了工业、科技乃至整个社会的飞速发展。那么你知道我们日常生活中用的电是从哪来的吗？
在历史的长河中，人们想尽一切办法从环境中获得电能，发电技术也随着科技的进步变得越来越多样化。目前电的来源主要有火力发电、水力发电、光伏发电、风力发电、核能发电、太阳能热发电等。
火力发电是目前最主要的发电方式之一，全球一半以上的电来自火力发电。火力发电利用煤、石油、天然气等化石燃料燃烧产生的热能来发电。燃料在锅炉中燃烧，加热水生成水蒸汽，蒸汽的压力推动汽轮机旋转，进而带动发电机产生电能，实现了化学能-热能-机械能-电能的转化。
水力发电的原理是利用水位的落差。水从高处流向低处时，通过水轮机将势能转化为机械能，最后由发电机将机械能转化为电能。水力发电是一种清洁、可再生的能源利用方式。
光伏发电是利用半导体材料的光电效应将光能直接转化为电能的发电方式。当太阳光照射到太阳能电池板上时，光子激发半导体中的电子，形成电流。光伏发电具有环保、无噪音、可持续等优点，是近年来发展迅速的可再生能源技术。
风力发电是将风的动能转化为电能的发电方式。风力发电机的叶片在风的作用下发生旋转，并且通过增速机将旋转的速度提升，进而带动发电机发电。风力发电同样是一种清洁、可再生的能源利用方式，且资源分布广泛。
核能发电的能量来源是核裂变或核聚变。目前商业化的核能发电主要基于核裂变反应，该反应可以释放出大量的热能，用于加热水产生蒸汽，驱动汽轮机发电。核能发电具有能量密度高、污染小等优点，但也存在安全风险和技术难题。
太阳能热发电与光伏发电的原理不同，利用的是太阳辐射能。太阳辐射能通过集热器转换为热能，然后利用热能加热介质，从而驱动汽轮发电机发电。太阳能热发电具有储能能力强、发电稳定等优点。
探索微观世界的水伏发电技术
水伏发电是近几年新兴的一种清洁能源发电技术，与传统的水力发电不同，水伏发电利用了微观世界中功能性材料与水滴、水蒸气、大气湿度等的相互作用产生电能，将水中的能量直接转化为电能。
随着纳米材料的飞速发展，水伏发电技术也越来越多样化。例如，将石墨烯材料从液体中取出，在石墨烯材料穿过水面时会产生电场，实现对外界放电。
此外，将水滴滴在纳米材料（多孔碳膜、多孔氧化铜纳米线膜等）的一侧，由于毛细渗透作用，水滴会跑到材料的另一侧，水滴流动的过程中也会有电能的输出。
传统的水滴发电设备会随着材料表面的完全润湿而失去发电的能力，发电时间只能维持几分钟，在实际应用中有很大的局限性。那么是否可以打破传统，延长水滴发电设备的工作时间呢？
新型水滴发电材料问世
2024年7月15日，中国科学家在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上发表了一篇关于二维纳米通道中上游质子扩散产生电能的研究工作。该技术打破了传统水滴发电中，离子移动方向与水流动方向一致的模式，提高了水滴发电的效率和持续时间。
研究成果发表于《Nature Nanotechnology》杂志 （图片来源：《自然-纳米技术》杂志）
研究者利用真空过滤技术将MXene（Ti3C2Tx）和PVA（聚乙烯醇）混合溶液进行过滤，并将过滤物放置在空气中干燥，最终得到MXene/PVA复合膜（MPCF）。该复合膜与电极共同组成水滴发电装置。
这张薄膜为什么如此神奇？
MXene是一种新兴的二维纳米材料，该类材料由过渡金属（钛、钒、锆等）与非金属元素（碳、氮）组成，具有片与片堆叠的层状三维结构，与石墨烯材料类似。MXene具有优良的导电性能，广泛应用于传感器、电磁屏蔽器等领域。
PVA是一种常用的高分子聚合物，中文名字是聚乙烯醇，通常被用作粘结剂和包裹剂。我们日常生活中使用的木工胶和固体胶棒的成分中就有大量的聚乙烯醇。
- MPCF器件的工作原理图和通道结构图；b.高角度环形暗场扫描电镜图；c.电压和电流随时间变化图；d.发电装置的性能对比图；e-f.水滴位置与发电的电压关系图.
（图片来源：参考文献1）
为揭示MXene/PVA复合膜在水滴发电中的作用，研究者对其进行了结构的表征。结果表明，该复合膜中的MXene纳米片被PVA包裹并堆叠成良好排列的层状纳米结构，层状纳米结构中存在一些通道，为水滴和离子的移动提供了通路。
此外，该复合膜的纳米通道内部含有大量的含氧官能团（存在于有机物分子中的特定原子或原子团，决定了有机物的化学性质），含氧官能团可以与水反应生成大量质子，质子在水滴发电过程中扮演着重要的角色。
MXene/PVA复合膜是如何发电的呢？
研究者将两个铂电极插在复合膜的左右两侧，组成了基于MXene/PVA复合膜的水滴发电装置模型，并且通过分子动力学模拟的方法揭示了水滴与复合膜间的相互作用与发电的原理。
当水滴滴在复合膜和左侧电极的连接处时，由于毛细渗透作用，水滴进入复合膜内部的孔道，并且形成从左到右的“水流”。
复合膜内部通道的水分子与含氧官能团反应生成质子，导致通道中的质子浓度增加，与水滴形成质子的浓度差。该浓度差驱动质子向上游低浓度的水滴中移动，从而在左侧电极聚集大量的质子，导致左侧电极的电势高于右侧。当两个电极被导线接通时，电子从右侧电极向左侧电极传导，从而产生电流。
a.MPCF发电原理示意图；b.分子动力学模拟过程；c.质子数随时间变化图；d.MPCF中水和质子浓度分布图；e.质子浓度随时间的变化.
（图片来源：参考文献1）
实验测试结果表明，在复合膜上滴5微升的水就可以产生超过400毫伏的电压，并且经过330分钟后，电压仍然能保持在300毫伏以上。当水滴的体积增加到10微升，20微升，30微升后，发电时间可分别延长至500分钟，630分钟和830分钟。
应用前景
MXene/PVA复合膜具有厚度薄和结构稳定的优势，集成的微型发电设备的体积小于0.1立方厘米，在小型化、自供电系统中具有重要的价值。
含有该复合膜的水滴发电设备可以被集成在衣服中，使用者运动20分钟后，发电设备吸取的水分能产生约350毫伏的电压和约2微安的电流，并且可以持续20分钟。当利用人体汗液（含有氯化钠）发电时，水滴发电设备的供电时间可以延长至30天。
试想一下，如果你佩戴了一个水滴发电供能的手环，那就不必再为续航担忧了，即使在不运动的情况下，滴几滴水或者从环境中吸收水分就可以充电，为我们生活提供便利的同时还达到了节约电能的目的。
结语
随着科技的进步与创新，人类正逐步实现自然资源向可持续能源的转变。让我们携手并进，在探索与实践中不断前行，共同见证水伏发电技术从梦想走进现实的辉煌时刻。
参考文献：
- Xia, H., Zhou, W., Qu, X. et al. Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels[J]. Nat. Nanotechnol, 2024.
- Xu, W., Zheng, H., Liu, Y. et al. A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density[J]. Nature, 2020.
- 冯思佳,李连辉,刘梦愿,等.可编织柔性纤维状水伏纳米发电机[J].中国科学:技术科学, 2022.
- 张继军,张璞.水伏感应发电技术及其在航标上的应用方案[J].中国海事, 2020.
出品：科普中国
作者：石畅（物理化学博士）
监制：中国科普博览
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