EPFL 的研究人员发现，利用水伏效应的纳米级设备可以从离子浓度高于纯净水的液体蒸发中获取电能，这揭示了尚未开发的巨大能源潜力。蒸发是一个无处不在的自然过程，以至于我们大多数人都认为这是理所当然的。事实上，到达地球的太阳能大约有一半是由蒸发过程驱动的。
自 2017 年以来，研究人员一直致力于通过水伏效应（HV）来利用蒸发的能量潜力，当流体通过纳米级设备的带电表面时，就能获得电能。蒸发可在这些器件内部的纳米通道内形成持续流动，从而起到被动泵送机制的作用。在植物的微毛细管中也能看到这种效果，由于毛细管压力和自然蒸发的共同作用，植物的水分得以输送。
虽然目前存在水伏特设备，但人们对纳米级水伏特能源生产的条件和物理现象知之甚少。工程学院纳米能源技术实验室（LNET）主任 Giulia Tagliabue 和博士生 Tarique Anwar 希望填补这一信息空白。他们利用实验和多物理场建模相结合的方法来描述流体流动、离子流动以及固液相互作用产生的静电效应，目的是优化高压设备。
硅纳米柱的扫描电子显微镜图像。图片来源：© Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA
"得益于我们新颖、高度可控的平台，这是第一项通过强调各种界面相互作用的重要性来量化这些水伏特现象的研究。但在这一过程中，我们还发现了一个重大发现：水伏打装置可以在很宽的盐度范围内运行，这与之前认为需要高度纯净的水才能获得最佳性能的认识相矛盾，"Tagliabue 说。
LNET 研究最近发表在细胞出版社的《设备》杂志上。
揭示多物理场模型
研究人员的装置首次应用了一种名为纳米球胶体光刻技术的水蒸气技术，该技术使他们能够创建一个由精确间隔的硅纳米柱组成的六边形网络。纳米柱之间的空间为流体样品的蒸发创造了完美的通道，而且可以进行微调，以更好地了解流体封闭和固/液接触面积的影响。
"在大多数含有生理盐水的流体系统中，正离子和负离子的数量相等。然而，当你把液体限制在纳米通道中时，只有极性与表面电荷相反的离子才会保留下来，"Anwar 解释说。"这意味着，如果让液体流经纳米通道，就会产生电流和电压。"
Tagliabue补充说："这又回到了我们的主要发现，即利用纳米器件表面电荷的化学平衡，可以在盐度范围内扩展水伏特器件的工作范围。事实上，随着流体离子浓度的增加，纳米器件的表面电荷也会增加。因此，我们可以使用更大的流体通道，同时处理更高浓度的流体。这样就能更容易地制造出使用自来水或海水的装置，而不是仅使用纯净水。"
水，无处不在的水
由于蒸发可以在很宽的温度和湿度范围内（甚至在夜间）持续进行，因此更高效的高压设备有许多令人兴奋的潜在应用。研究人员希望在瑞士国家科学基金会启动基金的支持下探索这一潜力，该基金旨在开发"一种全新的废热回收模式和大小规模的可再生能源发电"，包括在日内瓦湖的实际条件下开发一个原型模块。
从理论上讲，高压设备可以在任何有液体（甚至是水分，如汗液）的地方运行，因此它们还可以为从智能电视到健康和健身可穿戴设备等联网设备的传感器供电。凭借 LNET 在光能采集和存储系统方面的专业知识，Tagliabue 还热衷于研究如何利用光和光热效应来控制 HV 系统中的表面电荷和蒸发率。
最后，研究人员还看到了高压系统与清洁水发电之间的重要协同作用。
"自然蒸发被用于推动海水淡化过程，因为通过冷凝蒸发表面产生的水汽，可以从盐水中获取淡水。现在，你可以想象使用高压系统同时生产清洁水和利用电力，"Anwar 解释说。
编译自:ScitechDaily