近日，南京航空航天大学郭万林院士/殷俊教授团队在Science子刊Science Advances上发表了题为“Sparking potential over 1200 V by a falling water droplet”的研究论文。

该论文提出了考虑宏观尺度上液滴铺展动力学、微观尺度上双电层（EDL）形成动态过程及电路电容的滴水生电水伏器件的综合模型，揭示了双电极构型器件输出电压的主导因素，给出了器件输出的理论极限，以此为指导优化器件实现滴水生电超1200 V的火花电势。利用千伏脉冲输出驱动了常温常压下气体电离，结合电解水系统的阻抗匹配设计实现了水的电解制氢。

研究背景

液-固混合系统中，离子通过受限通道的选择性迁移会改变局部电位，经典的例子包括神经系统中的动作电位以及动电效应中的流动势。然而，离子迁移速度的限制使得电位的上升通常需要数毫秒，电压幅值限于数百毫伏。

近年来，利用功能材料与水之间的相互作用直接生电的水伏效应为利用水能提供了新途径。其中，降雨分布广泛且蕴含巨大能量，从下落雨滴中获取电能吸引了广泛关注。通过引入极化表面、晶体管启发的体效应、图案化电极、表面电荷注入等方式，滴水生电水伏器件的输出电压已从最初的10 mV、1 V提高到100 V量级。然而，现有模型大都忽略了液滴同样品接触的多尺度动力学过程，这阻碍了对器件工作机制的深入理解、限制了器件输出性能的进一步提升。

研究结果

图1：器件构型和优化的性能。

面对上述挑战，南京航空航天大学郭万林院士/殷俊教授团队在该论文中提出了考虑宏观尺度上液滴扩散、微观尺度上EDL形成的动态过程，以及电路电容的综合模型，系统揭示了双电极构型滴水生电水伏器件输出性能的影响因素，并优化器件实现了滴水生电水伏器件的千伏输出，称之为火花电势（图1）。

图2：器件的工作机制以及微秒接触动力学的输出性能优化。

首先，研究团队分析了器件的工作原理及其等效电路（图2A-2C）。液滴的下落和铺展过程将固液界面处的机械能转化为电能，相当于为电容器C₁充电。随后，液滴的移动边界接触上电极，引入了C₂，使C₁和C_P中储存的电能瞬间释放到C₂中。除此之外，在实际的电学测试中，还存在电路电容C_cir。

理论分析可得，水/上电极接触的动力学是决定输出电压的关键，电路电容的影响也不容忽视。研究团队首先对器件进行微秒接触动力学优化，使得液滴在接触上电极的瞬间，宏观上具有较大的扩散面积和较高的冲击滑动速度，微观上具有较短的EDL弛豫时间和较薄的EDL厚度（图2D-2F）。随后，通过将上电极放置于靠近下电极的边缘处、优化上电极的尺寸、优化示波器探头以最小化C_cir，最终将V_peak提高到1200 V（图3）。

图3：器件C_cir的优化。

进一步，厘清了双电极构型器件输出性能同负载阻抗的依赖关系，在高阻抗负载情况下利用千伏脉冲输出驱动了常温常压下气体电离（图4），低阻抗负载情况下结合系统阻抗匹配设计，优化电解水系统实现了水的电解制氢（图5）。

图4：火花电势驱动的气体电离。

图5：由下落水滴直接提供电力驱动的水分解。

意义与展望

该工作首次实现了单个液滴诱导水伏器件超千伏输出，建立了多尺度动态模型以揭示器件输出性能的影响因素，阐释了其内在机制。基于此，有针对性地进行优化，实现了前所未有的超1 kV的高压输出，标志着水伏技术进入千伏时代。这将器件应用场景拓宽到气体电离、水电解等应用领域，为开发、利用水伏技术提供了新视野，促进了水伏在高压和绿色能源领域中的应用。

该论文第一作者为南京航空航天大学博士生李露仙，郭万林教授和殷俊教授为共同通讯作者。论文链接：http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2993

第一作者简介：

李露仙     南京航空航天大学

李露仙在南京航空航天大学获得飞行器设计与工程学士学位，目前是南京航空航天大学纳米科学研究所纳米力学方向博士生，其研究兴趣包括低维材料和能源科学。

通讯作者简介：

殷俊，南京航空航天大学航空学院教授，博士生导师，长期从事范德华表界面物理力学、水伏能量转换原理及器件研究。

郭万林     南京航空航天大学

郭万林教授于1991年获西北工业大学博士学位，2017年当选为中国科学院院士。现任教育部纳智能材料与器件重点实验室创始主任、南京航空航天大学国际前沿科学研究院院长。他的研究重点是智能纳米材料和设备、高效能量转换的新概念和技术、神经元信号和分子仿生的分子物理力学，以及飞机和发动机的强度和安全性。