水是地球上最大的能量载体，吸收了地球表面约35%的太阳辐射能量。人类利用水能的历史，可追溯到春秋时期的水车或者更早。进入20世纪以后，水力发电得到了飞速发展，到了2021年，全球水电装机容量达1360GW。
最近几年，科学家发现还可以将雨滴、波浪和水蒸发等水循环中的环境能量转化为绿色电能，这被称之为水伏发电。
这是一个非常新兴的领域，目前水伏发电还不能产生大量电力，但它有一个优势：与间歇性的风和阳光不同，水分无处不在，有望不间断地输出。
微生物膜光伏发电机
微生物在自然界中无处不在。不同的电活性微生物能够通过有机物氧化产生电能，并且这种“微生物电池”可以用于为微电子学供电。然而，用连续的原料和合适的条件保持细胞活力的要求限制了它们的实际应用。2020年，美国麻省大学姚军团队首先发现了硫还原的杆菌产生的细菌蛋白纳米线可以作为吸湿材料制备湿气发电机，利用空气中的水蒸气进行发电。这引起了人们极大的兴趣，未来也许能够实现为智能手机无限续航，甚至为智能家居进行自供能。
由蛋白质纳米线和电极组成的湿度发电装置示意图。
图源：姚军实验室网站
https://www.junyaoumass.org/3d-biosensor/
虽然目前研究的全细胞微生物膜水伏发电技术器件结构各异，但设计理念均基于水分诱导微生物膜内产生水分或离子浓度梯度。尽管目前研究的全细胞微生物膜水伏发电技术的器件结构略有不同，但其设计理念均包含了水分诱导微生物膜中产生水分或离子浓度梯度的部分。当前，微生物膜光伏发电机体系中与水分梯度的形成、离子和电子的定向运动有关的电能转换的潜在机制尚未完全阐明。解决相关研究领域的现有问题和未来挑战，将进一步扩大微生物膜光伏发电机技术的应用和推广前景。
铁电增强型水蒸发诱导水伏发电
2023年11月，苏州大学教授孙宝全团队发明了一种基于全新概念的水伏发电器件（Hydrovoltaic Devices, HDs）。
这是一种铁电增强型水蒸发诱导水伏发电器件，只需一滴水就能产生 1.04V 的电压。相比常规的水伏发电器件，本次水伏发电器件的发电效率有着显著提升。
研究中，他们将超薄可极化铁电聚合物（P(VDF-TrFE）），夹在纳米结构硅和顶部电极之间，形成一个独特的不对称异质结，借此造出了这种水伏发电器件。
来源：Advanced Energy Materials，《Ferroelectric Layer-Assisted Asymmetric Heterojunction Boosts Power Output in Silicon Hydrovoltaic Device》
https://doi.org/10.1002/aenm.202302765
这种设计让器件能够获得稳健的电信号输出，并让电信号具备优异的可调节能力。在正向极化状态之下，通过界面偶极子的形成，可以建立一个强大的非对称电场，从而让电荷能被高效地扫出异质结。
凭借这一机制显著提升了器件可产生的开路电压，达到 1.04V 之高，几乎是反向极化情况下的三倍。
同时，这款器件还具备多功能的应用潜力。除能作为发电器件之外，它还展示出优异的环境感应特性，故能用于自供电的环境温度检测器、智能水位报警系统、以及自动/手动双模式灌溉控制系统。
这些应用展示了铁电辅助的水伏器件在多领域的独特性能和广泛适用性。整体而言，这项工作为可调节电性能的铁电辅助水伏器件开辟了新前景，并为智能化和自动化系统的发展提供了创新解决方案。
它不仅突破了硅材料的柔韧性限制，更为水伏技术开发提供了一种全新的路径。同时，这种创新思路将为能源科技研究带来新的可能，为解决清洁能源转型中的技术挑战提供了解决方案。
它将为人类提供更多清洁能源的选择，让即便是看似微不足道的雨滴，也能为电力系统注入新的生机，并将助力人类更好地应对气候变化。
未来通过改良硅纳米线的结构，有望造出更灵活、更具适应性的水伏器件，从而让可再生能源领域迈出一大步。
饮水鸟摩擦水伏发电机（DB-THG）
来自香港理工大学的王钻开教授团队近日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一篇题为“Drinking Bird-enabled Triboelectric Hydrovoltaic Generator”的论文。本文提出了一种利用水蒸发潜热和摩擦电效应收集蒸发能的新方法。该装置结合了一个“饮水鸟”发动机和一个摩擦电纳米发电机，首先将蒸发的潜热转化为低频运动，然后将机械能转化为电能。这种饮水鸟摩擦水伏发电机（DB-THG），通过自然环境中的水分蒸发可产生超过100 V的电压。这项研究为蒸发能驱动小型电子设备供电提供了一种实用方法。
该饮水鸟摩擦水伏发电机（DB-THG）的结构和输出图如下图所示。可以看出，DB-THG在24℃、20%±5%相对湿度（RH）环境下连续运行50小时的时间里，从大约100毫升的水中产生的最大电能约为0.65 J，这比使用相同水量的最先进的液滴发电机高出约180倍。
饮水鸟摩擦式水伏发电机(DB-THG)的设计与输出图。
DB-THG所输出的最大电压、电流以及电荷分别达到107 V、0.24 μA和40 nC（24°C，~28% RH）。这些数值远远超过了之前报道的水蒸发发电数值，如图4所示。此外，DB-THG 接近40 μW的最大峰值功率值是以往基于电磁技术的饮水鸟发电机报道功率值的13倍。这种出色的高输出能力使其能够在任何环境中利用水蒸发的自然能量有效地为小型电子设备供电，包括20个尺寸为26 × 31 mm的液晶显示器（LCDs）、湿度传感器以及计算器。此外，该设备还可以在几分钟内将商用电容器充电到10 V以上，或者在100分钟内将1000 μF的较大电容充电至1.5 V。
DB-THG的演示图。
相信在未来，DB-THG可以作为一种高效的蒸发能量收集方法，在室内和室外的以水为“燃料”的电子产品中发挥更广泛的应用价值。
水伏发电应用前景
眼下看来，仍需对水伏发电器件进行一定的优化，才可以满足更多类型的环境需求。整体来说，水伏发电器件的应用前景主要有以下几点：
其一，通过纳米发电机的集成开发，协同收集水蒸发、水分、以及热量波动的能量。机械振动、太阳能和风能等，也是这种集成系统的潜在候选者，即它可以从周围环境中捕获多种形式的能量。
其二，通过纳米发电机的集成开发，不仅有望提高水伏发电的性能，还能为低能耗设备提供可持续的能源。对于传感器、忆阻器和晶体管等低功耗模块的组合来说，水伏发电器件也可以成为它们的驱动装置。
其三，水伏发电器件的架构采用低功耗的模块组合，这为大规模用于自供电人工智能、医疗保健和信息技术提供了可能。例如，可以让皮肤贴片从汗液和水分中获取能量，对用户的运动情况和健康情况进行实时监测。
其四，作为一种自充电系统，水伏发电器件有着巨大的潜力，能在没有外部电源的情况下，从周围环境中捕获能量，并能为能量存储设备进行充电。
未来，将水伏技术与超级电容器或电池加以结合，即可构建混合自充电的系统，有望弥合当前相对较低的发电量与实际需求之间的差距，从而推动智能通信网络的发展，为自供电高性能电子产品的建设带来新前景。
应用案例：循环低碳智慧大棚
我国西南山区，农村土壤贫瘠、水资源缺乏。各地虽已建立起覆盖面较广的农电网络，但部分偏远村组和农户“电网末梢”吃紧的状况仍未完全得到缓解。
科学研究如何助力乡村振兴？云南大学材料与能源学院教授万艳芬带领的云南大学绿源功能材料团队为此展开了持久探索。近期，他们以作物秸秆为原料，将原料进行碳化后制备出了光热材料，并将材料进行三重仿生设计，研制出了水电联发的清洁能源装置，建立起了循环低碳智慧大棚。
基于水伏发电原理，通过太阳能水电联发装置配套，进行循环固碳的智慧大棚示意图。
利用秸秆参与水伏发电
2021年，云南省秸秆资源量约1972.08万吨，可收集量1763.91万吨。秸秆主要来自玉米、水稻、甘蔗、油菜、小麦、薯类等作物，其中玉米、水稻、甘蔗秸秆的利用空间巨大。
近年来，随着纳米材料研究的深入，人们发现部分碳材料在与液体作用时，会表现出一系列新的生电效应，如波动生电、液滴生电、蒸发生电、湿度生电等，这些现象统称为水伏效应（Hydrovoltaiceffect），水伏效应为基于新型能量转化原理的水能捕获技术，开辟了全新的方向。
秸秆碳化后的生物质炭作为涂层材料进行“水电联发”示意图。
“我们的创新点在于‘水电联发’。”绿源功能材料团队负责人、云南大学硕士研究生赵嵘介绍，他们研发的装置，主要以秸秆碳化后的生物质炭作为涂层材料，其易于与水进行表面耦合，可使水分在材料的纳米微通道中定向渗透，并在静电作用下让水中的正负电荷分离，使上下游产生电势差，从而产生电压。
与此同时，在太阳光的照射下，这种水电联发装置能够将农业废水转换为清洁的农业用水，重金属离子去除率达92%，有效解决了农业废水处理难、部分地区水资源紧缺的问题。
水伏发电和智慧大棚不仅能节省人力物力，提高产量，增加经济效益，还能在生产各环节减少环境污染，推动农村发展，助力“绿美乡村”目标的实现，其技术、成本优势对农民更有吸引力。
涂层材料的原料是从农户那里购买的秸秆，每公斤约0.6元；其他常用的化学原材料从网络渠道购买，整体成本较市场上的各类传感器更加低廉。产品主要针对太阳能资源丰富以及电力紧缺的山区农村，目前装置正处于推广阶段。
部分素材来源：科技日报、中科院之声等、 CellPress细胞科学、知乎：DeepTech深科技等
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