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水資源覆蓋71%的地球面積，源源不斷的接收著近35%達到地表的太陽能，這部分能量多以水蒸發的方式耗散在大氣環境裡。如何高效利用源於水中的能量來產生電能是近年來能源領域研究的熱點。近日，蘇州大學功能納米與軟物質研究院孫寶全教授（點擊查看介紹）團隊製備了一種利用水的蒸發微循環就能產生持續電能的器件。該器件能夠利用大氣環境中水蒸發引起的水的定向流動，實現電能的持續輸出。
近年來，由於清潔環保、成本低廉、可大規模製備等特點，水伏發電已經成為新能源領域的研究熱點。水伏發電器件多由具有孔隙結構的納米材料製備，通過蒸發引起的水在孔隙中的流動，實現電荷的定向移動，從而實現對外電路的電能輸出。然而由於材料電學性能的限制，水伏發電器件的電流密度普遍偏低，這大大限制了水伏發電器件的大規模應用。因此，選擇優異電學性能的材料來可控制備納米孔隙結構，是提高水伏發電效率的關鍵。
硅材料是近半個世紀以來最為成功的半導體材料。由於優異的電學特性、可控的製備工藝，晶硅材料已經廣泛應用於多個商業化領域。蘇州大學研究團隊基於商用晶硅材料，藉助溼法刻蝕在硅片表面製備出形貌均勻的硅納米線陣列，並在其兩側分別引入柵格狀石墨電極和銀電極，實現硅基水伏器件的製備。對其電學性能測試發現，器件的開路電壓和短路電流分別為0.4 V、55 μA/cm2，值得注意的是，相比於同類器件，電流密度提高了三個數量級。該種水伏器件還能夠運用呼吸產生的水汽實現電壓的輸出。同時通過器件串聯，可以很容易地實現商用LED燈珠的持續點亮。
通過研究該種硅基水伏器件的工作機理，該團隊發現器件的發電效率與硅納米線陣列的長度和形貌相關，輸出性能與溶液的離子濃度呈反比。同時還發現，器件對溫度異常敏感，在開放環境和密閉條件下均呈現出輸出性能與溫度的正相關。上述實驗結果逐步揭示了器件的電能輸出源於蒸發誘導的內部水流動。
這一成果近期發表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是蘇州大學碩士研究生秦元帥和博士後研究員王玉生。
Constant Electricity Generation in Nanostructured Silicon via Evaporation‐driven Water Flow
Yuanshuai Qin, Yusheng Wang, Xiaoyue Sun, Yajuan Li, Hao Xu, Yeshu Tan, Ya Li, Tao Song, Baoquan Sun
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.20200276
導師介紹
孫寶全
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