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文丨科普零距离

编辑丨科普零距离

传统的水力发电是最可持续的能源之一，然而水电大坝和水库对当地环境的影响严重，水力发电需要高成本的涡轮机和发电机，由于这些装置利用了大量下落水的重力势能，这种水力发电不适合普遍存在的小规模能源生产。

在这里，我们报道了从一小块多孔氧化铝中润湿和蒸发纯水会产生水蒸发方向的电流。

微孔氧化铝中感应的电流与聚集在氧化铝孔带负电表面附近的伴随离子的水的质量传输有关。

在没有任何预处理或添加剂的情况下一旦蒸发开始，，一块3×3 cm2的氧化铝可以产生高达0.27 V的开路电压。

我们在这里提出的发电方案简单、清洁、通用，可以在任何地方使用，因为它只利用水的自发毛细管作用和氧化铝-水界面的库仑相互作用，而不需要任何热量或光的输入。

开发几乎零碳排放的可再生能源变得越来越重要。利用太阳能电池热电和压电/摩擦发电机以及纳米发电机，已经做出了各种努力，试图将无处不在的自然能源转化为电力。

从这些例子中可以看出，从自然来源产生可持续和稳定的电力通常需要复杂的异质结构材料和复杂的设备配置。

水力发电在没有碳排放成本的情况下产生了全球约六分之一的电力，但它需要大规模建设，对自然环境的影响很大，而且需要复杂的机器。

最近蒸发发电作为一种模拟植物水分蒸腾的小型水力发电源引起了人们的极大兴趣，所产生的电源于电解质的流动电流，其中离子在导电基底表面附近的运动会引起与水分子运动相关的电压降。

在液体和多孔壁之间的界面处存在的双电层（EDL）形成了水蒸发过程中电荷运动的基础。

在早期的演示中，当CNT浸入流动的水或极性液体中时，检测到小的电信号。然而，观察到的电压仅为微伏/厘米的数量级，并且CNT的制造和处理与大规模应用不兼容。

类似地，使用炭黑、氧化石墨烯、单层石墨烯、以及生长在半导体纳米线网络或印刷有多壁CNT的纤维素基滤纸上的碳基混合系统，可以产生几毫伏。

这些碳基材料中的大多数只能微弱地粘附在衬底上，使器件脆弱且难以放大，输出电压通常低于100 mV/cm。

为了从水蒸发中获取电力，基于其流动潜力，对几种电介质样品进行了探索，其中包括天然木材和基于氧化物纳米颗粒的柔性水力发电膜，增加了各种可能的器件结构以及这种方法在各种应用中的可行性。

在这项研究中，我们发现浸泡在去离子水中的氧化铝“绝缘体”块可能产生大量电压。

我们提出与碳基器件相比，由水分蒸腾驱动的微孔氧化铝是一种高效、原型的发电基板，可以实现高电压效率，微/纳米多孔氧化铝在光学、化学、生物科学和相关工程领域有着悠久的应用历史。

氧化铝的表面化学性质对其作为生物传感、水脱盐44和纳米电子器件的构建块的性能至关重要，因为它在OPEN中化学稳定水环境和高温。

在这项工作中，我们报告了在没有任何预处理或涂层的情况下，使用坚固的多孔氧化铝用于由水分蒸发驱动的发电。它的孔隙度驱动毛细管力和蒸腾作用穿过区块，从而产生发电。

3.0×3.0 cm2的块显示出在环境条件下产生高达～0.27 V的开路电势的能力，并且具有超过一年的稳定发电性能，当一半的多孔氧化铝样品以适当的放置角度部分浸泡在水中时，获得了最大流电压。

通过改变多孔介质的润湿条件、水温和盐浓度，可以灵活调整输出功率，n、 以及通过简单地改变模块的串联/并联连接。

我们认为，丰富的互连孔隙提供了大的介电（极化）氧化铝表面，该表面产生足够的电荷以在水-氧化铝界面产生有效的载流子扩散。

这种现象是基于水的蒸发蒸腾，不需要任何光或热的供应。这表明，所提出的能量收集方法可以在地球上的任何地方、一天中的任何时间工作，使其成为一种真正的能量收集设备。

这种发电机开创了一种强大而简单的能量收集方法，适用于自供电传感器网络的小型发电机，以及可以在阴天和夜间运行的发电机。

实验

孔隙率约35%的氧化铝购自ASUZAC Fine Ceramics，用能谱仪对其化学成分进行了分析，通过SEM（Hitachi FESEM SU8230）检查样品形态。

使用Rint 2000的Rigaku Ultima III进行X射线衍射，使用导电夹具实现与氧化铝的电接触，硅树脂胶用于防止可能的电气短路，夹具将样品固定在固定位置（图第1a段）。

其电阻最初是在>1000MΩ（过载）时使用隔离计测量的。然后用Versatat电位计（Versatat 4，Princeton Applied Research）在水蒸发下进行电测量，使用Brunauer–Emmett–Teller（BET）法（Quantachrome，Autosorb iQ）测量比表面积。

使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）（720-ES，安捷伦）对氧化铝的Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na进行表征，并在惰性气体下对O进行推断的熔融后吸收方法（LECO TC-436Ar）。

热导法（LECO TC-436Ar）在惰性气体下熔化N后使用，红外吸收法（LECO CS-844）在燃烧C后使用。用Nicolet iS50R（Thermo Scientific）记录氧化铝的傅立叶变换红外（FTIR）光谱。

每次测量采集64次扫描，光谱范围为400–4000 cm−1，分辨率为4 cm−1。

使用具有0.3cm厚度的3.0×3.0cm2尺寸的氧化铝样品（图1b），通过BET测得的氧化铝比表面积为1.5 cm2 mg−1。

电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES），用于测定氧化铝样品中某些元素的质量百分比。

通过对Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na的ICP-OES（720-ES，安捷伦）和对O在惰性气体下熔融后的推断吸收法（设备LECO TC-436Ar）、对N在惰性气体中熔融后的热导法（设备LECO TC-436A r）以及对C在燃烧后的红外吸收法（设备LECO CS-844）对氧化铝进行表征。

氧化铝的化学成分被证实为47.3%的Al，加上1.44%的Si、0.03%的Fe、0.40%的Mg、0.02%的Ca、0.04%的Na、45%的O、<1%的N和0.056%的C。

图1c显示了氧化铝的XRD图谱，其中特征峰归因于α-氧化铝的PDF卡10-0173。图1d显示了氧化铝的SEM图像，图1e是图1d的放大图。

SEM图像显示，氧化铝由高密度、互连的微孔组成，50–200µm的孔径是渗透水的最佳孔径。

SEM/EDX也用于研究氧化铝的组成（图S1a）。EDX光谱（图S1b）表示Al和O的峰，图S1c-d表示Al和O的元素图谱。

氧化铝的FTIR光谱（图S2）显示，波数3310的倾斜可归因于-OH拉伸模式，1737 cm−1的倾斜可归属于弯曲模式。

1074 cm−1处的倾角对应于Al–O–H，628和482 cm−1的带归属于Al–O键。用接触角计（DM700）测量水在多孔氧化铝中的润湿性和浸渍性，并用放置在氧化铝表面的1µL水滴进行演示（图S3）。

捕捉到的氧化铝上液滴的动态图像显示了超亲水表面。氧化铝固有的亲水性表面促进了水通过其孔隙的快速流动，这大大增加了由蒸腾作用驱动的发电量。

氧化铝样品与两个电极连接，并放置在烧杯中以测量样品上的电位降。将氧化铝样品垂直插入填充有去离子（DI）水的烧杯中，去离子水覆盖氧化铝的一半（1.5cm），并使上半部分暴露于大气中。

将放置在样品末端的一个电极浸入水中。由于微孔的毛细管作用，水渗透的高度明显高于烧杯中的水位。

模拟植物的蒸腾作用，随着氧化铝块表面的水分蒸发，容器中的水必须迅速补充，渗透到水位以上的氧化铝中。

结果与讨论

还研究了产生的电压对离子浓度的依赖性，以检查液体的固有性质是否影响水/氧化铝界面的性能。

将三种浓度的NaCl（0.01、0.1和0.5重量百分比（wt.%））与DI水进行比较，所有盐溶液产生的电压都比去离子水低得多（图6a）。

德拜长度是发生显著电荷分离的距离，与离子浓度的平方根成反比，在临界摩尔浓度以上，阴离子数量的增加屏蔽了氧化铝/水界面处的极化，可能会重新分布在氧化铝/水接口处积累的表面电荷。

氧化铝装置在上述三种NaCl溶液中的发电能力随着盐浓度而显著变化，通过使用太阳能模拟器用高强度（800mW/cm2）和标准（100mW/cm2）模拟阳光照射氧化铝块来研究照明对电压产生的影响。

电压随着太阳模拟器辐照度的增加而降低（图6b）。

在照明过程中，氧化铝吸收了光，由于光热加热，湿氧化铝表面干燥，部分抑制了向上移动的水量。如图S11所示，NaCl浓度和光强度的氧化铝样品的电压产生的初始1h值随时间绘制。

连接到上侧和下侧的两个电极可以监测整个氧化铝样品上的自发电压生成，除此之外蒸发水中的流动电荷动力学，其他可能的原因，如顶部电极和底部电极的化学电势差，可能是由它们的环境（空气与水）的差异引起的。

由于氧化铝/电极系统在其几何形状上是对称的，该对称装置上的电压产生必须源自水的单轴运动或与两个电极接触的氧气量。

这可能有助于减少不锈钢夹，这似乎是一个小贡献，因为即使在连续测量一周后，水的pH值变化也很小（~0.8）。

结论

我们已经展示了一种使用部分浸泡在水中的微孔陶瓷块进行发电的极其简单的方法。水通过微孔氧化铝微孔的蒸发驱动运动产生电力，这是由于载体在水-氧化铝界面处的拖曳。

微孔氧化铝具有高度亲水性，并且包含具有大比表面积的许多孔，这有助于水的快速流动和近表面载体的形成。

多孔氧化铝膜内的蒸发驱动水流在环境条件下可产生高达0.27V的稳定电压，我们的研究结果表明，通过提高水温可以增加发电量。

目前的研究结果启发我们在温暖干燥的环境中应用廉价的氧化铝发电。

这项工作的意义在于，多孔氧化铝不仅提供了一种廉价高效的小型发电机，还开辟了一种通过水分蒸腾获取能量的新方法，只要地球上有液态水，这种方法在任何地方、任何时间都是可行的。