海水蒸發也能發電？納米發電機將海水轉化為清潔能源

環球零碳

碳中和領域的《新青年》

來源：Shutterstock

撰文| Penn

編輯 | 小瀾

→這是《環球零碳》的1978篇原創

想象一下，有一種裝置，它利用的能源規模堪比地球本身，能夠提供近乎無限的電力，且無需進行任何破壞生態的開采。這并非是科幻小說中的場景，而是真實存在的，它就是海洋。

海洋是世界上最大的太陽能采集器，它吸收的太陽能達到37萬億千瓦。在倡導發展可持續能源、積極探索新能源的背景下，海洋能源的開發和利用，越來越得到人們的重視。

2024年，洛桑聯邦理工學院（EPFL）工程學院納米能源技術實驗室（LNET ）的研究人員報告了一種用于研究水伏效應（HV效應）的平臺。

水伏效應是指當流體流過帶電納米器件表面時可以收集電能的現象。他們的平臺由六邊形硅納米柱網絡構成，柱間空間形成用于蒸發流體樣品的通道。

如今，由Giulia Tagliabue領導的LNET團隊已將該平臺開發成一套水力光伏系統（hydrovoltaic systems），其發電量可與同類技術媲美甚至實現超越，相關研究成果已發表在國際期刊《自然通訊》雜志上。

與僅僅依靠熱能和光能來促進蒸發的傳統方法不同，洛桑聯邦理工學院的這套系統利用熱能和光能來控制蒸發鹽水中離子的運動以及硅納米器件中電子的流動，從而產生電流。

在這篇論文中，團隊負責人 Giulia Tagliabue 和研究員 Tarique Anwar 描述了他們為蒸發驅動的水力光伏系統構建的“統一的物理和實驗框架”，該框架分離并控制界面（即固液或液氣等相間）過程，同時利用陽光和熱量發電。研究人員表示，這一過程為更生態安全的能源收集技術鋪平了道路。

圖說：通過耦合熱光驅動表面電荷動力學增強水力光伏發電

來源：nature communications

該系統基于LNET之前利用水力光伏效應的研究成果，該效應允許在流體流過納米器件帶電表面時收集電力，并利用六邊形陣列中硅納米柱之間的空隙蒸發流體，而整個系統能夠解耦并控制從熱能和太陽光中發電的關鍵界面過程。

“熱量和光照不平衡總是會影響水力光伏器件，” LNET 研究員 Tarique Anwar說，“但我們已經發現了如何利用這些不平衡來發揮我們的優勢”，即通過控制熱量和光照來控制蒸發海水中的離子，而海水是一種取之不盡、用之不竭的環保資源。

這種納米器件由三個獨立的層組成，分別用于蒸發、離子傳輸和電荷收集。這種解耦設計使得科學家能夠觀察并精細調控過程中的每個步驟。水力光伏器件頂部為蒸發電極表面，底部為浸沒在水中的硅納米顆粒（SiNPs）陣列。頂部和底部組件不直接接觸，而是通過水進行電化學連接。

中間的離子導電層將蒸發頂部界面與硅-介質納米柱陣列隔開，從而可以獨立調節蒸發、離子傳輸和界面化學平衡。這種設計不僅提高了電荷產生效率，還展示了電荷如何通過熱感應和光感應產生，從而增強電輸出和離子遷移。

圖說：蒸發驅動水力光伏器件的結構、機制和材料

來源：nature communications

通常，當我們思考熱和光對蒸發的影響時，我們會認為熱能會加速水蒸氣的轉化。之前的研究主要集中于利用這種效應進行高壓能量收集，但洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員發現，他們觀察到的能量產生加速并非僅僅由蒸發引起。

由于他們的納米器件由硅半導體制成，其內部的電子會被陽光中的光子激發，而熱量則會增強其表面的負電荷。與此同時，納米器件上方鹽水層中的熱驅動蒸發會導致離子遷移，從而造成正負電荷分離。

這種液固界面處的電荷分離會產生電場，驅動受激電子在連接的電路中運動，最終產生電流。

“我們的研究表明，由于這種表面電荷效應，太陽光和熱的加入可以將能量產量提高 5 倍。這種自然效應一直存在，但我們是第一個利用它的人，” 團隊負責人 Giulia Tagliabue說。

圖說：LNET的實驗裝置

來源：EPFL

研究結果表明，電容性光充電和熱調制表面平衡（而非法拉第效應或光熱效應）主導了能量轉換。該實驗裝置實現了1 V的開路電壓和0.25 W/m2的功率密度，硅摻雜和介質的選擇可以進一步提高性能。

研究人員強調，除了優異的電壓和功率密度外，他們的系統還具有連續自主發電的優勢。熱和光會降低水力光伏發電機制的性能，在鹽水這種高腐蝕性環境中，這種性能下降會更加嚴重。

但正如 Tagliabue 所說，由于她的裝置中的納米柱表面涂覆了一層氧化層，確保其在熱和光照下性能穩定，因此它們不會發生“不必要的化學反應”。

將該裝置分為三層后，研究團隊得以建立模型來解釋他們的觀察結果，并通過調整納米柱結構和鹽濃度來優化功率輸出。目前，該團隊正在開發相關工具，以便在利用太陽能模擬器進行熱和光輸入實驗的同時，實時探測這些現象。

圖說：光照對不同涂層和鹽度水平的影響

來源：nature communications

如果LNET設備的后續迭代取得成功，Tagliabue和Anwar表示，他們希望這能催生出水力光伏裝置，為小型、無電池的傳感器網絡供電，讓人們可以在任何能夠獲取陽光、熱能和水的地方使用。

他們指出，此類應用不僅包括環境監測系統，還包括所有連接到物聯網的設備，以及可穿戴設備。屆時，這些設備可實現能源的自給自足，真正做到了“綠色零排放”。

參考材料：

[1]https://newatlas.com/energy/nanogenerator-harvests-electricity-evaporating-seawater/

[2]https://www.nature.com/articles/s41467-025-68261-8

[3]https://actu.epfl.ch/news/nanodevice-produces-continuous-electricity-from--2/

[4]https://www.news.cn/science/20230630/f1d50a1140474af6b081f8b6b5e50f12/c.html

熱門閱讀

（點擊圖片跳轉閱讀）