【IM交叉学科材料】南京航空航天大学郭万林院士团队封面综述：基于蒸发驱动的水伏材料
水是地球上最大的能量载体，吸收了70%以上的地表太阳能，但其低转换效率一直是人们关注的问题。水伏效应是一种通过纳米材料和各种形式的水（雨滴，波浪，流动，水分的自然蒸发）之间的直接相互作用来发电的新兴技术。蒸发驱动的水伏效应是一个自发的、无处不在的过程，可以直接将周围环境中的热能转化为电能，而不需要额外的机械功，与其他效应相比显示出独特的优势。近年来，用于蒸发驱动水伏器件（EHD）的纳米材料进展迅速。然而，对于提高器件性能的材料选择和设计一直缺乏明确的规范。南京航空航天大学郭万林院士团队首先分析了EHD的机理，总结了材料的最新进展，包括碳材料，生物质基材料，金属氧化物，复合材料等；然后讨论了在结构设计，表面改性和界面处理方面提高能量转换效率和输出功率的策略；最后展望了其在发电、传感器和海水淡化技术等方面的潜在应用，以及未来这种新兴技术发展的挑战和前景。
研究背景
随着全球变暖和能源危机的问题越来越明显，开发和利用环境友好、可持续和可再生的资源对人类至关重要。水是地球上最丰富的清洁可持续资源，覆盖了地球表面约71%，并捕获了地球表面接收约70%的太阳能。在生物系统中，水以气体，液体和固体的形式存在。高效集利用水资源直接发电，不仅满足了全球能源需求，也实现了绿色节约的理念。因此作为可再生能源战略之一，从水中提取电能引发了巨大的研究兴趣。
大量的功能材料，如碳材料，聚合物，金属氧化物和生物质材料，已经被证明可以通过蒸发驱动的水伏效应发电（图1）。这些材料通常具有以下特性：首先，连续、快速和高效地输送水需要良好的亲水性纳米通道。其次，该材料含有高表面电荷密度和zeta电位，使得纳米通道中形成双电层（EDL）。第三，纳米通道的宽度与水的Debye长度相当，形成EDL的重叠。虽然蒸发驱动的水伏效应与其他能量转换效应相比具有独特的优势，但其实际应用能力仍面临瓶颈。因此，必须通过澄清机理，选择合适的材料，优化结构和修改表面官能团来推广这种新技术。
本文首先描述了蒸发驱动的水伏效应的机理。然后总结了目前正在开发的蒸发驱动水伏材料，从常见的碳材料（炭黑和氧化石墨烯），生物质基材料（木材，纤维素纸和布），金属氧化物到复合材料等。重点讨论了构建优良水伏器件的理化调控和应用。最后提出了蒸发驱动水伏效应新兴技术的挑战和前景。
图1 用于蒸发驱动水伏效应的材料概述，包括碳材料、生物质基材料、金属氧化物、复合材料等材料。
主要内容
1.发电机制
对于蒸发驱动的水伏效应，如果能够满足上述三个条件，可以连续自发地产生电力：（i）选择合适的活性材料;（ii） 确保毛细力和蒸发驱动的水的连续流动;（iii）确保纳米通道的大小可以与EDL重叠。
图2 双电层 （EDL） 和固液界面处的流动电位示意图。（a） 固液界面处的 EDL。（b）由压差驱动的纳米通道内流动电位示意图。（c）石墨烯和水之间的三电层结构示意图。
2. 材料理化调控
2.1 多孔结构
首先，纳米颗粒堆叠首先被用来形成纳米通道。纳米颗粒之间的键合和颗粒对基体的粘附归因于范德华力和氢键，这是一种毛细驱动的自组装过程。纳米通道的直径可以通过调整纳米颗粒的大小来调节。其次，一维丝状结构具有较大的比表面积，有利于电子传输。最后，层状纳米片由于其比表面积大、表面电荷密度高、孔隙垂直结构等优点而受到广泛关注。
图3 优化策略一多孔结构：（a）多孔碳膜的实物照片，SEM，以及蒸发驱动的发电机理。（b）柔性SiO2纳米纤维膜的合成过程、SEM及机理。（c） 镍铝LDH薄膜的示意图和SEM。
2.2 表面改性
表面改性是影响EHD性能的关键因素，主要改变材料的亲水性和zeta电位。调节亲水性可以提升毛细力和水的蒸发速率，从而加速纳米通道中的水流。zeta电位影响EDL中的极性和离子数量，并直接控制Debye长度。
图4 水伏器件的表面改性措施：（a）CB薄膜中器件的示意图以及FTIR光谱。（b）不同分子对碳纳米颗粒（CNPs）的化学修饰示意图和zeta电位。（c）SiNWs水压性器件的装置结构以及基于涂有不同导电材料的织物电极器件性能比较。（d） 基于SiNWs的TiO2装置的原理图和SEM。
2.3 界面处理
许多研究都集中在与水直接相互作用的活性材料上，而电极材料的选择却很少受到关注。通常，电极只是简单地连接到材料的两端，而没有考虑电极和材料之间界面处的电荷转移。
2.4 环境影响
水蒸发在地球上无处不在。温度、湿度、风速等外部因素都会对蒸发速率产生影响，适当的加速蒸发有利于提升EDH的功率输出。
3. 应用
近年来，人们越来越关注EHD，但其实际应用却受到输出功率低、能量转换效率差等问题的困扰。尽管EHD与传统电源之间存在显着的功率输出差距，但持续的研究已促使EHD用于自供电系统和低功耗设备。目前，EHD的应用主要集中在发电、传感器和海水淡化上。
图5 EHD的应用：（a）rGO膜在天然海水中的生成及应用示意图。（b）由综合系统驱动的海水淡化和发电。（c）设备原理图。（d）可穿戴功率传感器系统的传感测量。（e）自供电气体监测系统示意图。
总结与展望
最近多种材料已用于水伏器件，包括碳材料，生物质基材料，金属氧化物，复合材料和其他新型材料。我们重点讨论了通过物理化学调节提高电输出的几种策略。具体地，通过将多孔结构调整到适当的尺寸，进行亲水处理以提高亲水性，添加官能团以增加表面zeta电位，以及优化电极材料以提高电荷收集效率，从而制造出更高效的水伏器件。目前，蒸发驱动的水伏效应除了发电外，与海水淡化技术和传感器的结合已得到广泛应用。这些绿色的能源转换方法为新的可持续发展解决方案（如碳中和）带来了巨大的希望。
虽然蒸发驱动的水伏效应的优点已得到广泛验证，但作为一个新兴的研究领域，在广泛用于大量应用之前，仍有一些值得注意的挑战需要解决：
(1)水伏效应的机理尚处于初步研究阶段，未来的研究应集中在固液界面上，特别是水固相互作用下电荷产生和转移过程的原位表征。
(2)水伏材料的选择和设计仍需探索一套标准。调节材料的结构和表面性能，包括形成有序的纳米通道和表面官能团修饰，在材料性能和输出功率之间建立可靠的规则是提高水伏器件性能的重要方向。
(3)水伏器件的应用领域仍然受到限制。受限于单个器件的低输出功率，大规模集成器件应提上日程。
(4)在实际情况下，蒸发驱动水伏技术的材料和结构通常在恶劣条件下运行，水中含有离子、溶质、杂质和污染物，这可能会与所使用的材料发生化学反应。因此，EHD在恶劣条件下，特别是在极端条件下，对结构和功能退化的长期稳定性应该是未来研究和开发中的一个重要问题。
郭万林
中国科学院院士，纳智能材料器件教育部重点实验室主任，南京航空航天大学国际前沿科学研究院院长。长期从事空天飞行器结构安全和数字化、纳智能材料器件和固液界面物理力学理论和关键技术研究，推动“水伏学”的诞生。发表学术期刊论文400余篇，被SCI他引万余次。1996年获国家杰青，1999年获聘长江学者；2012年获国家自然科学奖二等奖，2019年因“对宇航结构完整性耐久性和纳米力学的持续贡献”获ICCES（国际计算与实验科学工程会议） Eric Reissner Award，2020年获全国先进工作者称号；培养的研究生陆续获得全国优博、优青、青千、杰青、长江等荣誉和人才基金，成为行业翘楚。
Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和42位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。
· 2022年1月首发，前三年完全免费发表
· 2022年6月被DOAJ数据库收录
· 2022年9月入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”
https://onlinelibrary.wiley.com/journal/2767441X
https://mc.manuscriptcentral.com/intermat
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【Interdisciplinary Materials】2022年第3期