一滴水点亮100盏LED灯！中国科学家打造水滴发电机
撰文|张二七
水力发电已非新鲜事物。在能源日渐缺乏的今天，水电提供了一种清洁、可再生的能源。水力发电主要利用水位落差，将水的势能转化为水轮的机械能，从而推动发电机并产生电。然而受到技术的限制，目前的水力发电只利用了海浪、潮汐、河流的中高频运动，而这些水体，甚至雨水中蕴藏的低频动能一直未能很有效率地转化为电能。
近日，由香港城市大学机械工程学系的王钻开教授、美国内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士合作领导的研究团队，研发出了一种新型的水滴发电机(droplet-basedelectricitygenerator，DEG)。这项研究发表在《自然》杂志上，新型水滴发电机的瞬时功率密度，即每平方米在单位时间内产生的最大电能可达50.1W，是其他原理类似的水滴发电机的数千倍。实验显示，一滴水产生的电能足以点亮100盏小LED灯。
两个关键设计
多年来，许多科学家都在研究这种发电方式。此前根据摩擦起电效应制造的水滴发电机，利用每个液滴撞击表面时的摩擦和静电感应产生电力。但一滴水能够产生的表面摩擦电荷非常少，因此这种传统水滴发电机的电能转化效率非常低。
为了实现更高的电能转化率，最新研究采用了两项关键设计。首先，研究团队使用了一种可以长期保有电荷的永电体材料——聚四氟乙烯(PTFE)。该研究团队在2019年发表于《自然》杂志的另一项研究中发现，当水滴持续不断地撞击PTFE薄膜时，摩擦起电产生的表面电荷能够不断在PTFE膜中积累，直至饱和。这样，经过液滴的连续撞击后，PTFE就能够储存高密度的表面电荷。这样就解决了过去水滴发电机中，电荷密度低导致的低效率问题。
纵坐标为随着水滴不断落下，PTFE膜中逐渐积累的电荷量(nC)，横坐标为水滴落下的数量(万滴)。在大约16000滴时，PTFE膜中的电荷量达到了饱和。(图片来源：Xuetal。，2020)纵坐标为随着水滴不断落下，PTFE膜中逐渐积累的电荷量(nC)，横坐标为水滴落下的数量(万滴)。在大约16000滴时，PTFE膜中的电荷量达到了饱和。(图片来源：Xuetal。，2020)
那么要如何利用这些电荷进行有效发电呢?这就要提到水滴发电机的整体结构了。整个水滴发电机非常小巧，主要由一个铝电极，以及一个表面覆有一层PTFE薄膜的铟锡氧化物(ITO)电极组成。在发电前，需要16000余次水滴滴落或直接注入离子，使PTFE积攒负电荷至饱和状态。这时，水滴发电机可以开始运行。
整个发电过程可以分为三步：1)在PTFE带有一定电荷的情况下，通过静电感应，使ITO带有等量的正电荷，此时电路是断开的;2)水滴滴落到PTFE表面，并接触到铝电极时，水滴接通了铝电极和ITO两个电极之间的通路，使ITO的正电荷向铝极转移，产生电流;3)水滴滑落后，电路断开，由于静电感应ITO继续积攒正电荷，等待下一滴水的循环。
水滴发电机结构示意图(a)与实物图(b)。(图片来源：Xuetal。，2020)水滴发电机结构示意图(a)与实物图(b)。(图片来源：Xuetal。，2020)
在整个过程中，PTFE膜上积累的表面电荷并未释放，开始发电后，整个电路中电流的来源其实是ITO在每个循环中通过静电感应储存的正电荷。由于静电感应，电路断开时其正电荷数量与PTFE上积累的电荷量相同。也就是说，每一滴水的发电量都是之前16000余次水滴滴落摩擦起电量的总和。
水滴发电机的整体结构，正是研究的另一项关键突破。据文章的通讯作者王钻开教授介绍，这个结构类似于1956年获得诺贝尔物理学奖的场效晶体管(FET三极管)的结构。三极管由栅极、源极、漏极三个极组成，通过控制栅极，就能控制源极和漏极之间是否连通，从而进一步控制两极之间电荷的流动。这个看似简单的结构却是集成电路的最基本单元，它的发明深刻地改变了信息传递的方式。
在新研发的水滴发电机中，PTFE/ITO与铝电极就类似于三极管中的源极和漏极，用于储存和转移电荷。水滴除了完成发电前PTFE膜电荷积累之外，在发电过程中还起到了类似栅极的作用。随着水滴滴落，它也成为了一个定期自动连通和断开的开关，控制着整个电路。
左侧为水滴落下的过程，右侧为铝电极中的电荷量。可以看到，当水滴接触到铝电极时，电路接通，电荷从ITO转移到铝电极中。当水滴滑落，电路断开后，电荷又流回ITO，铝电极中电荷量回归为0。(图片来源：Xuetal。，2020)左侧为水滴落下的过程，右侧为铝电极中的电荷量。可以看到，当水滴接触到铝电极时，电路接通，电荷从ITO转移到铝电极中。当水滴滑落，电路断开后，电荷又流回ITO，铝电极中电荷量回归为0。(图片来源：Xuetal。，2020)
一滴水点亮百盏LED灯
王钻开教授表示：“我们的研究表明，从15厘米的高度释放一滴0.1毫升的水，就能产生140V以上的电压，其功率可以点亮100盏小型LED灯。”而瞬时发电效率的提升全部来源于水滴自身动能的充分利用。“这些水滴撞击的动能源于重力，可以说是免费和可再生的。充分利用这种资源，能够减少我们对化石燃料的依赖，有助于世界的可持续发展。”
除了自来水，这种新型的水滴发电机还可以从雨滴和海水中收集能量。比如研究者设计了一个雨水收集和流速控制装置。只需要调节流速控制器中毛细管的直径和释放高度，就能够精确控制用于发电的水滴的大小和速度。类似的，海水以及其他水源也可以分离成这样不连续的液滴阵列。
可利用雨水的水滴发电装置，图中最上层为雨水收集器，中层为流速控制装置，最底层为新型水滴发电机。(图片来源：Xuetal。，2020)可利用雨水的水滴发电装置，图中最上层为雨水收集器，中层为流速控制装置，最底层为新型水滴发电机。(图片来源：Xuetal。，2020)
对于未来的研究方向，王钻开教授在接受《环球科学》采访时表示：“我们的转化效率比传统的液滴发电高上千倍，但是离实际应用还需要进一步优化，把输出功率进一步提高。”
考虑到整个方案的实际可行性，研究团队采用的都是最简单的设计，并不需要特殊的二维材料或者超疏水材料等。王钻开教授希望，这个设计未来可以推广到各种各样的固液接触面上：“我们这个工作的突破就在于，用最简单的设计解决了这个领域最关键的问题之一。这是一个普适的设计，就像三极管改变了电子行业，这项研究应该也有改变固液发电的潜力。未来它可以用在任何场所，从微纳器件到蓝色海洋，只要有水和固体的相对滑动，就可以进行发电。”
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