孔隙工程化超薄镍泡沫协同镍钴层状双氢氧化物涂层实现高效水伏能量收集

推荐：为解决可再生能源领域水驱动能量收集效率低的问题，研究人员通过机械压缩调控镍泡沫（Ni foam）孔隙结构并修饰镍钴层状双氢氧化物（NiCo LDH）涂层，构建了高性能水伏发电机。该器件通过协同优化毛细压力与蒸发动力学，实现能量输出提升8倍（117.56 μW/cm3），峰值达550 μWh/cm3，为可持续水基能源开发提供新策略。

　　

在全球能源转型背景下，开发可持续的绿色能源技术成为迫切需求。水伏能量收集（Hydrovoltaic energy harvesting）因其利用自然水蒸发（NWE）过程产生电能而备受关注，但现有材料普遍存在能量转换效率低、稳定性不足等问题。传统研究多聚焦单一材料改性或结构调控，鲜少协同优化孔隙结构与表面化学性质，导致水传输与离子扩散难以平衡。

针对这一挑战，韩国仁川沿岸码头（Incheon Coastal Pier）的研究团队创新性地将机械压缩与化学涂层技术结合，通过孔隙工程化超薄镍泡沫（Ni foam）并修饰镍钴层状双氢氧化物（NiCo LDH），构建了高性能水伏发电机。研究发现，压缩使泡沫平均孔径从148 μm降至37 μm，毛细压力显著提升；而NiCo LDH涂层通过-OH基团增强亲水性，两者协同实现蒸发速率降低和离子扩散持续。该成果发表于《Green Chemical Engineering》，为水-能源纽带研究提供了新范式。

研究采用扫描电镜（SEM）观察压缩前后泡沫形貌，通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）验证LDH涂层结构，结合红外热成像分析水分分布。电化学测试系统评估了不同参数（湿度、电解质浓度、电极面积）对性能的影响。

3.1 结构与机制设计
压缩后的Ni foam形成致密互连孔隙网络（图1c），孔径分布从148 μm优化至37 μm（图1d）。TEM显示NiCo LDH纳米片结晶良好（图1f），其高比表面积促进水分子吸附。理论计算表明，压缩使毛细压力提升4倍，而LDH涂层通过调控接触角（从130°降至115°）平衡润湿性与蒸发控制。

3.2 表面化学调控
XPS证实Ni²⁺/Ni³⁺和Co²⁺的共存（图2d-e），FT-IR显示-OH基团随涂层时间增加（图2c）。蒸发实验显示压缩样品保湿时间延长3倍（图2f），归因于孔隙限制效应与表面能协同作用。

3.3 能量输出优化
在50%湿度和1 M NaCl条件下，器件峰值功率达65 μW/cm³（图4c）。系列/并联电路可灵活调节输出（0.6 V或50 μA），0.27 cm³大电极实现550 μWh/cm³能量密度（图5d），较原始泡沫提升40倍。

3.4 环境适应性
NaCl电解质因Na⁺水合半径适中表现最优（图4h-i），而CaCl₂因强吸湿性导致性能下降。50%相对湿度（RH）下电荷分离最稳定（图4e-f）。

该研究首次实验验证了压缩驱动设计策略对水伏能量收集的增强作用，通过多尺度调控（宏观孔隙工程-纳米表面化学）突破性能瓶颈。数值模拟揭示了毛细传输与蒸发控制的定量关系，为海水/盐水能源开发提供可扩展平台。未来通过集成阵列化器件与智能湿度管理，有望实现全天候环境能量收集，推动水伏技术走向实际应用。