英文原题：Hydrovoltaic Effects from Mechanical-Electric Coupling at the Water-Solid Interface
通讯作者：郭万林，邓威 南京航空航天大学
作者：Tao Hu (胡涛), Kelan Zhang (章可兰), Wei Deng (邓威)*, Wanlin Guo (郭万林)*
背景介绍
几百年来由于人们使用化石燃料作为工业化、交通、发电和供暖的主要能源，全球气候变化和空气污染问题日益突出，因此人们迫切地需要用清洁的可再生能源来替代化石燃料。太阳能是地球上最丰富的可再生能源之一，其中的一小部分已经能够通过光伏技术直接利用。绝大部分达到地球的太阳光热能量储存在地球的自然水循环和我们周围的大气中，比人类全球能耗高出成千近万倍，但其中只有体量较大的径流蕴含的机械能能够被水力发电收集。水循环中的其他自然过程如降雨、水蒸发和湿热大气等蕴含的能量，由于缺乏适当的科学方法和技术一直没有得到充分利用。近十年来，新兴的基于固液界面处力电耦合的水伏效应实现了从几乎所有与水相关的动态过程中获取电能，包括降雨、波浪、流动、蒸发和湿气。普遍存在的水蒸发和环境湿度以及丰富的流动水，使得水伏技术几乎可以在全年任何天气条件下无处不在地提供电力，可以缓解间歇性工作的太阳能和风力发电厂面临的电力储存需求。从自然水循环中提取水伏能量的过程不会产生碳排放，并具有负热排放的独特优点，因此水伏技术是一种有前途的绿色能源技术，为解决能源危机、气候变暖和环境污染问题开辟了一条富有前景的新途径。
文章亮点
本文综述了从水运动、蒸发和环境湿气吸附三个过程中收集能量的水伏效应和水伏技术的最新进展。首先本文将从水的运动中发电的水伏效应和水伏技术的发展分为了三个阶段：边界效应，界面效应和体效应，详细阐述了每个阶段涉及的器件结构和生电机制，并介绍了每个阶段的提高输出性能的策略和器件结构设计。随后本文介绍了典型的蒸发发电器件，列举了目前提出的的可能机制：流动势和蒸发势，以及目前使用的材料种类和影响器件输出的因素。最后本文描述了从环境湿气中获取能量的水伏效应和水伏技术的发展历程，归纳了近年来提出的提高吸湿发电器件输出和持续性的策略，并展示了其在能源供给和柔性器件领域的应用。
图1. 水伏效应和水伏技术的历史发展过程
总结/展望
本文综述了近年来三大类水伏技术的发展，系统地讨论了不同形式的水与材料的力电耦合机制，从器件配置、材料选择和功能化等方面总结了目前提出的机制支持下的器件优化策略。近年来全球科学家的积极研究已经实现了其极快的发展，主要体现在输出电能的量级提升和丰富多样的材料和器件创新上。但是水伏技术在实际和广泛应用方面仍然面临着巨大的挑战。对于水运动相关的水伏技术，由于产生的输出电信号多为脉冲信号，器件个体输出信号之间的干扰难以避免，导致高效的器件集成十分困难；对于水蒸发相关的水伏技术，其背后的机制（如蒸发势）尚未被完全理解，限制了器件的优化设计和材料的定向制备，从而限制了其输出的进一步提高；对于环境湿气相关的水伏技术，其背后的机制更加复杂，涉及水在固体表面官能团中的吸附、解离、扩散和电荷分离，以及各种形式的水和离子，包括气态水、水二聚体、水三聚体、水团簇、质子和其他离子，这还需要多学科领域的共同努力进行细致的研究，以指导制备高效稳定可持续的器件。
相关论文发表在期刊ACS Nano上，南京航空航天大学博士研究生胡涛和硕士研究生章可兰为文章共同第一作者，郭万林教授和邓威副研究员为通讯作者。
通讯作者信息：
郭万林 院士
郭万林，力学家，中国科学院院士，全国先进工作者，南京航空航天大学教授，国际前沿科学研究院院长，博士生导师。目前致力于材料-结构-功能一体化、数字航空宇航结构工程、水伏学的研究，在Science, Nat. Nanotechnol., Chem. Soc. Rev, Sci. Adv., Nat. Commun., Joule, Phys. Rev. Lett.等学术期刊发表论文230余篇。曾获2012和2023年度国家自然科学二等奖、国家教育部自然科学一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖等，因对宇航结构完整性耐久性和纳米力学的持续贡献获2019年ICCES Eric Reissner Award。任国务院学位委员会第八届学科评议组成员、第八届教育部科技委交叉科学与未来技术专门委员会副主任委员、中国力学学会常务理事和国际机械系统动力学学会副理事长等。主持国家“973计划”课题、国家重点研发计划变革性技术专项、国家自然科学基金重点项目等。
邓威 副研究员
邓威，南京航空航天大学特聘副研究员，博士生导师，江苏省“双创博士”。主要研究水伏能源技术和纳智能器件，在 Energy Environ. Sci., Nano Energy, Environ. Sci. Technol., ACS Nano, Appl. Phys. Lett.等学术期刊发表论文30余篇。主持国自然青年基金和参与国自然重大项目等。
课题组主页链接：
http://ifs.nuaa.edu.cn/main.htm
ACS Nano 2024, ASAP
Publication Date: August 21, 2024
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c07900
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