一滴水產生的電量足以點亮100盞LED燈
水力發電已非新鮮事物。在能源日漸缺乏的今天，水電提供了一種清潔、可再生的能源。水力發電主要利用水位落差，將水的勢能轉化為水輪的機械能，從而推動發電機併產生電。然而受到技術的限制，目前的水力發電只利用了海浪、潮汐、河流的中高頻運動，而這些水體，甚至雨水中蘊藏的低頻動能一直未能很有效率地轉化為電能。
近日，由香港城市大學機械工程學系的王鑽開教授、美國內布拉斯加大學林肯分校的曾曉成教授和中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士合作領導的研究團隊，研發出了一種新型的水滴發電機（droplet-based electricity generator， DEG）。這項研究發表在《自然》雜誌上，新型水滴發電機的瞬時功率密度，即每平方米在單位時間內產生的最大電能可達50.1W，是其他原理類似的水滴發電機的數千倍。實驗顯示，一滴水產生的電能足以點亮100盞小LED燈。
兩個關鍵設計
多年來，許多科學家都在研究這種發電方式。此前根據摩擦起電效應制造的水滴發電機，利用每個液滴撞擊表面時的摩擦和靜電感應產生電力。但一滴水能夠產生的表面摩擦電荷非常少，因此這種傳統水滴發電機的電能轉化效率非常低。
為了實現更高的電能轉化率，最新研究採用了兩項關鍵設計。首先，研究團隊使用了一種可以長期保有電荷的永電體材料——聚四氟乙烯（PTFE）。該研究團隊在2019年發表於《自然》雜誌的另一項研究中發現，當水滴持續不斷地撞擊PTFE薄膜時，摩擦起電產生的表面電荷能夠不斷在PTFE膜中積累，直至飽和。這樣，經過液滴的連續撞擊後，PTFE就能夠儲存高密度的表面電荷。這樣就解決了過去水滴發電機中，電荷密度低導致的低效率問題。
縱座標為隨著水滴不斷落下，PTFE膜中逐漸積累的電荷量（nC），橫座標為水滴落下的數量（萬滴）。在大約16000滴時，PTFE膜中的電荷量達到了飽和。（圖片來源：Xu et al。， 2020）
那麼要如何利用這些電荷進行有效發電呢？這就要提到水滴發電機的整體結構了。整個水滴發電機非常小巧，主要由一個鋁電極，以及一個表面覆有一層PTFE薄膜的銦錫氧化物（ITO）電極組成。在發電前，需要16000餘次水滴滴落或直接注入離子，使PTFE積攢負電荷至飽和狀態。這時，水滴發電機可以開始運行。
整個發電過程可以分為三步：1）在PTFE帶有一定電荷的情況下，通過靜電感應，使ITO帶有等量的正電荷，此時電路是斷開的；2）水滴滴落到PTFE表面，並接觸到鋁電極時，水滴接通了鋁電極和ITO兩個電極之間的通路，使ITO的正電荷向鋁極轉移，產生電流；3）水滴滑落後，電路斷開，由於靜電感應ITO繼續積攢正電荷，等待下一滴水的循環。
水滴發電機結構示意圖（a）與實物圖（b）。
在整個過程中，PTFE膜上積累的表面電荷並未釋放，開始發電後，整個電路中電流的來源其實是ITO在每個循環中通過靜電感應儲存的正電荷。由於靜電感應，電路斷開時其正電荷數量與PTFE上積累的電荷量相同。也就是說，每一滴水的發電量都是之前16000餘次水滴滴落摩擦起電量的總和。
水滴發電機的整體結構，正是研究的另一項關鍵突破。據文章的通訊作者王鑽開教授介紹，這個結構類似於1956年獲得諾貝爾物理學獎的場效晶體管（FET三極管）的結構。三極管由柵極、源極、漏極三個極組成，通過控制柵極，就能控制源極和漏極之間是否連通，從而進一步控制兩極之間電荷的流動。這個看似簡單的結構卻是集成電路的最基本單元，它的發明深刻地改變了信息傳遞的方式。
在新研發的水滴發電機中，PTFE/ITO與鋁電極就類似於三極管中的源極和漏極，用於儲存和轉移電荷。水滴除了完成發電前PTFE膜電荷積累之外，在發電過程中還起到了類似柵極的作用。隨著水滴滴落，它也成為了一個定期自動連通和斷開的開關，控制著整個電路。
左側為水滴落下的過程，右側為鋁電極中的電荷量。可以看到，當水滴接觸到鋁電極時，電路接通，電荷從ITO轉移到鋁電極中。當水滴滑落，電路斷開後，電荷又流回ITO，鋁電極中電荷量回歸為0。（圖片來源：Xu et al。， 2020）
一滴水點亮百盞LED燈
王鑽開教授表示：“我們的研究表明，從15釐米的高度釋放一滴0.1毫升的水，就能產生140V以上的電壓，其功率可以點亮100盞小型LED燈。”而瞬時發電效率的提升全部來源於水滴自身動能的充分利用。“這些水滴撞擊的動能源於重力，可以說是免費和可再生的。充分利用這種資源，能夠減少我們對化石燃料的依賴，有助於世界的可持續發展。”
除了自來水，這種新型的水滴發電機還可以從雨滴和海水中收集能量。比如研究者設計了一個雨水收集和流速控制裝置。只需要調節流速控制器中毛細管的直徑和釋放高度，就能夠精確控制用於發電的水滴的大小和速度。類似的，海水以及其他水源也可以分離成這樣不連續的液滴陣列。
可利用雨水的水滴發電裝置，圖中最上層為雨水收集器，中層為流速控制裝置，最底層為新型水滴發電機。
對於未來的研究方向，王鑽開教授在接受《環球科學》採訪時表示：“我們的轉化效率比傳統的液滴發電高上千倍，但是離實際應用還需要進一步優化，把輸出功率進一步提高。”
考慮到整個方案的實際可行性，研究團隊採用的都是最簡單的設計，並不需要特殊的二維材料或者超疏水材料等。王鑽開教授希望，這個設計未來可以推廣到各種各樣的固液接觸面上：“我們這個工作的突破就在於，用最簡單的設計解決了這個領域最關鍵的問題之一。這是一個普適的設計，就像三極管改變了電子行業，這項研究應該也有改變固液發電的潛力。未來它可以用在任何場所，從微納器件到藍色海洋，只要有水和固體的相對滑動，就可以進行發電。”
