電的發明無疑是一場深刻的革命，從愛迪生發明的電燈到現在各種各樣的電子設備，電的出現不僅點亮了漆黑的夜晚，更推動了工業、科技乃至整個社會的飛速發展。那麽你知道我們日常生活中用的電是從哪來的嗎？
發光的燈泡 （圖片來源：veer圖庫）
在歷史的長河中，人們想盡一切辦法從環境中獲得電能，發電技術也隨著科技的進步變得越來越多樣化。目前電的來源主要有火力發電、水力發電、光伏發電、風力發電、核能發電、太陽能熱發電等。
火力發電是目前最主要的發電方式之一，全球一半以上的電來自火力發電。火力發電利用煤、石油、天然氣等化石燃料燃燒產生的熱能來發電。燃料在鍋爐中燃燒，加熱水生成水蒸汽，蒸汽的壓力推動汽輪機旋轉，進而帶動發電機產生電能，實現了化學能-熱能-機械能-電能的轉化。
水力發電的原理是利用水位的落差。水從高處流向低處時，通過水輪機將勢能轉化為機械能，最後由發電機將機械能轉化為電能。水力發電是一種清潔、可再生的能源利用方式。
水力電廠大壩 （圖片來源：veer圖庫）
光伏發電是利用半導體材料的光電效應將光能直接轉化為電能的發電方式。當太陽光照射到太陽能電池板上時，光子激發半導體中的電子，形成電流。光伏發電具有環保、無噪音、可持續等優點，是近年來發展迅速的可再生能源技術。
風力發電是將風的動能轉化為電能的發電方式。風力發電機的葉片在風的作用下發生旋轉，並且通過增速機將旋轉的速度提升，進而帶動發電機發電。風力發電同樣是一種清潔、可再生的能源利用方式，且資源分布廣泛。
可再生能源發電 （圖片來源：veer圖庫）
核能發電的能量來源是核裂變或核聚變。目前商業化的核能發電主要基於核裂變反應，該反應可以釋放出大量的熱能，用於加熱水產生蒸汽，驅動汽輪機發電。核能發電具有能量密度高、汙染小等優點，但也存在安全風險和技術難題。
太陽能熱發電與光伏發電的原理不同，利用的是太陽輻射能。太陽輻射能通過集熱器轉換為熱能，然後利用熱能加熱介質，從而驅動汽輪發電機發電。太陽能熱發電具有儲能能力強、發電穩定等優點。
* 探索微觀世界的水伏發電技術
水伏發電是近幾年新興的一種清潔能源發電技術，與傳統的水力發電不同，水伏發電利用了微觀世界中功能性材料與水滴、水蒸氣、大氣濕度等的相互作用產生電能，將水中的能量直接轉化為電能。
葉片上的水滴 （圖片來源：veer圖庫）
隨著納米材料的飛速發展，水伏發電技術也越來越多樣化。例如，將石墨烯材料從液體中取出，在石墨烯材料穿過水面時會產生電場，實現對外界放電。
此外，將水滴滴在納米材料（多孔碳膜、多孔氧化銅納米線膜等）的一側，由於毛細滲透作用，水滴會跑到材料的另一側，水滴流動的過程中也會有電能的輸出。
傳統的水滴發電設備會隨著材料表面的完全潤濕而失去發電的能力，發電時間只能維持幾分鐘，在實際應用中有很大的局限性。那麽是否可以打破傳統，延長水滴發電設備的工作時間呢？
* 新型水滴發電材料問世
2024年7月15日，中國科學家在《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）雜誌上發表了一篇關於二維納米通道中上遊質子擴散產生電能的研究工作。該技術打破了傳統水滴發電中，離子移動方向與水流動方向一致的模式，提高了水滴發電的效率和持續時間。
研究成果發表於《Nature Nanotechnology》雜誌 （圖片來源：《自然-納米技術》雜誌）
研究者利用真空過濾技術將MXene（Ti3C2Tx）和PVA（聚乙烯醇）混合溶液進行過濾，並將過濾物放置在空氣中幹燥，最終得到MXene/PVA復合膜（MPCF）。該復合膜與電極共同組成水滴發電裝置。
* 這張薄膜為什麽如此神奇？
MXene是一種新興的二維納米材料，該類材料由過渡金屬（鈦、釩、鋯等）與非金屬元素（碳、氮）組成，具有片與片堆疊的層狀三維結構，與石墨烯材料類似。MXene具有優良的導電性能，廣泛應用於傳感器、電磁屏蔽器等領域。
PVA是一種常用的高分子聚合物，中文名字是聚乙烯醇，通常被用作粘結劑和包裹劑。我們日常生活中使用的木工膠和固體膠棒的成分中就有大量的聚乙烯醇。
1, MPCF器件的工作原理圖和通道結構圖；b.高角度環形暗場掃描電鏡圖；c.電壓和電流隨時間變化圖；d.發電裝置的性能對比圖；e-f.水滴位置與發電的電壓關系圖.---（圖片來源：參考文獻1）
為揭示MXene/PVA復合膜在水滴發電中的作用，研究者對其進行了結構的表征。結果表明，該復合膜中的MXene納米片被PVA包裹並堆疊成良好排列的層狀納米結構，層狀納米結構中存在一些通道，為水滴和離子的移動提供了通路。
此外，該復合膜的納米通道內部含有大量的含氧官能團（存在於有機物分子中的特定原子或原子團，決定了有機物的化學性質），含氧官能團可以與水反應生成大量質子，質子在水滴發電過程中扮演著重要的角色。
* MXene/PVA復合膜是如何發電的呢？
研究者將兩個鉑電極插在復合膜的左右兩側，組成了基於MXene/PVA復合膜的水滴發電裝置模型，並且通過分子動力學模擬的方法揭示了水滴與復合膜間的相互作用與發電的原理。
當水滴滴在復合膜和左側電極的連接處時，由於毛細滲透作用，水滴進入復合膜內部的孔道，並且形成從左到右的「水流」。
復合膜內部通道的水分子與含氧官能團反應生成質子，導致通道中的質子濃度增加，與水滴形成質子的濃度差。該濃度差驅動質子向上遊低濃度的水滴中移動，從而在左側電極聚集大量的質子，導致左側電極的電勢高於右側。當兩個電極被導線接通時，電子從右側電極向左側電極傳導，從而產生電流。
a. MPCF發電原理示意圖；b.分子動力學模擬過程；c.質子數隨時間變化圖；d.MPCF中水和質子濃度分布圖；e.質子濃度隨時間的變化.---（圖片來源：參考文獻1）
實驗測試結果表明，在復合膜上滴5微升的水就可以產生超過400毫伏的電壓，並且經過330分鐘後，電壓仍然能保持在300毫伏以上。當水滴的體積增加到10微升，20微升，30微升後，發電時間可分別延長至500分鐘，630分鐘和830分鐘。
* 應用前景
MXene/PVA復合膜具有厚度薄和結構穩定的優勢，集成的微型發電設備的體積小於0.1立方厘米，在小型化、自供電系統中具有重要的價值。
運動手環 （圖片來源：veer圖庫）
含有該復合膜的水滴發電設備可以被集成在衣服中，使用者運動20分鐘後，發電設備吸取的水分能產生約350毫伏的電壓和約2微安的電流，並且可以持續20分鐘。當利用人體汗液（含有氯化鈉）發電時，水滴發電設備的供電時間可以延長至30天。
試想一下，如果你佩戴了一個水滴發電供能的手環，那就不必再為續航擔憂了，即使在不運動的情況下，滴幾滴水或者從環境中吸收水分就可以充電，為我們生活提供便利的同時還達到了節約電能的目的。
結語 : 隨著科技的進步與創新，人類正逐步實現自然資源向可持續能源的轉變。
讓我們攜手並進，在探索與實踐中不斷前行，共同見證水伏發電技術從夢想走進現實的輝煌時刻。
參考文獻：
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.
馮思佳,李連輝,劉夢願,等.可編織柔性纖維狀水伏納米發電機[J].中國科學:技術科學, 2022.
張繼軍,張璞.水伏感應發電技術及其在航標上的應用方案[J].中國海事, 2020.
---[出品：科普中國*作者：石暢（物理化學博士）*監製：中國科普博覽/來源: 中國科普博覽]
