用于能源、生态和智能的氢能伏特技术

《Nano Letters》：Hydrovoltaics for Energy, Ecology, and Intelligence

水-固体相互作用在微纳米尺度通过蒸发、吸附和液滴运动产生电能，挑战传统水力发电概念，材料科学推动碳基和金属氧化物性能提升，需建立新效率评估框架，并探索其在农业生态、智能建筑和生物电子学中的自供电传感与信息处理应用。

　　

最近，由水与固体相互作用产生的电力生成已成为水伏特效应（hydrovoltaics）与地球水循环交汇处的一个新研究领域。

地球的水循环是自然界中最大的连续能量流动之一，其驱动力来自太阳加热。海洋的蒸发、云层的形成以及降水共同循环了大约40拍瓦（petawatts）的潜热，这一能量量与全球表面吸收的太阳能总量相当。自从第一台水车发明以来，水就一直为人类文明提供动力。如今，由水与固体相互作用产生的电力生成已成为水伏特效应与地球水循环交汇处的一个新研究领域。与间歇性收集太阳能的光伏技术不同，水伏特系统可以随着水循环持续运行。

在过去的几十年里，越来越多的实验表明，当水与固体表面相互作用时，会产生可测量的电势。例如，水滴在石墨烯上的滚动（(1)以及水在氧化物表面的蒸发/吸附（(2,3)）现象引发了广泛的科学兴趣（图1）。这些发现表明，仅通过水与固体的相互作用，无需任何外部干预，就能从动能、热能和化学能中产生电信号。这一发现挑战了长期以来认为水能只能通过宏观流动和涡轮机来产生的观点，重新定义了纳米时代的“水力发电”概念。因此，水伏特纳米科学迅速崛起，成为可持续纳米技术领域的一个重要支柱。

材料科学的最新进展极大地扩展了水伏特研究的范围。基于碳的纳米结构（如石墨烯、碳纳米管和炭黑）首次揭示了表面官能团在促进电能输出中的关键作用。随后，金属氧化物、二维材料膜和金属有机框架引入了可调的亲水性、层次化的微孔结构、导电性和离子选择性，从而提高了电荷分离效率（(7)。生物材料（(8,9)，如木材、蛋白质纳米线和活体叶片）则赋予了系统可持续性和生物相容性，将绿色化学与功能性性能相结合。一个重要的认识是，水伏特效应并非单纯由材料本身决定，而是源于表面化学、水吸附-解吸以及离子和电子迁移之间的动态耦合。因此，合理调控界面状态并寻找新型材料可能是实现高效且可扩展的水伏特发电的关键。

尽管报道的发电量不断增加，但建立一个真正可持续的机制仍然是水伏特科学的核心目标，尤其是在利用蒸发和水分驱动的发电方面（(10)。与传统依赖不可逆氧化还原反应的电化学系统不同，可持续的水伏特装置必须通过持续的水分梯度和闭环电荷传输机制来提供稳定的电流，且不会消耗水伏特材料和电极材料。研究表明，在前驱膜中水蒸发过程中电子的动态分布可以产生稳定的电流（(11,12)；二维纳米通道中的质子扩散也能产生显著的电能输出，这凸显了质子在能量转换中的关键作用（(13)）。同样，水分子与固体之间的动态气体-固体相互作用和接触电化作用也能在无需氧化还原反应的情况下实现电荷分离（(14)。最近的研究还表明，在水-固体界面处存在复杂但有趣的量子效应（(15?17)。通过先进的光谱表征和理论工具揭示界面电荷传输动态对于将水伏特现象从实验观察到明确的能量转换原理至关重要，从而实现机制的阐明和性能的提升。

研究人员和公众经常询问水伏特技术的“能量转换效率”，自然会将其与光伏或水力发电进行比较。虽然这种比较可以理解，但在缺乏明确的水伏特系统效率框架的情况下，这种比较仍然具有挑战性。传统的效率定义（有用输出能量除以总输入能量）假设所有输入能量都在转换过程中被消耗和耗散。然而，将这一假设应用于从自然过程中获取能量的水伏特系统时需要谨慎对待。以蒸发为例：环境中的低级热能驱动水的相变，而这一过程的一部分同时产生了电能。将吸收的热能视为输入似乎很直观，但实际上未被转换的能量并未浪费，而是以潜热的形式储存下来，其能量等级与输入能量相当。由蒸发维持的纳米流体运动的动能可能更准确地反映了有效输入能量，尽管其量化在实验上具有挑战性。同样，在水滴发电中，将落水的总动能视为输入会大大低估实际性能，因为大部分动能在与设备相互作用后仍可被重新利用。相比之下，光伏系统将太阳光子能量转换为电能，但不可避免地会将大量能量以热的形式耗散。明确什么是“输入能量”，或者引入一个反映能量质量变化的等级修正系数，将是评估水伏特技术的重要前提。建立这样的效率框架将为评估水伏特技术提供更加公平和热力学上一致的基础，同时指导其向实际可持续性的发展。

水伏特发电是一种极其温和且几乎不显眼的技术。这种非侵入性的特点，加上极低的碳足迹，使得水伏特系统被认为具有生态友好性、可持续性和环保性，这与传统水坝或热电厂带来的大规模生态破坏形成鲜明对比。然而，这种温和性也意味着能量密度较低，因为水伏特系统主要利用自然能量流的“副流”，通常仅足以驱动自供电传感器、环境监测设备或分布式物联网设备，而无法用于大规模电网应用。为了提高输出并扩大技术影响，需要更精细地设计和优化水与功能材料之间的相互作用。优化纳米级的润湿性、电荷传输、界面化学和微观结构，可能使这一微妙的现象发展成为一种强大且可扩展的能源。

水伏特技术不仅仅是一种新的清洁能源形式；它们代表了能量、信息和生命之间的新兴桥梁，我们将其称为“水伏特生态”（hydrovoltaic ecology）和“水伏特智能”（hydrovoltaic intelligence）。水伏特生态设想了一个水、能量和环境相互平衡的自我维持生态系统。农业环境为此提供了理想的示范平台。在典型的温室中，可以利用系统中自然存在的材料（如活植物、(18,19)微生物、(20,21)和蛋白质纳米材料（(9)），持续从水分、蒸发和雨滴中获取电能。除了发电外，这些系统还能实现实时环境监测和智能气候控制（(22)。最新研究还表明，水滴产生的高电压可以促进氮固定，从而实现农业肥料的现场生产，并与太阳能和水能结合形成动态的营养物质循环（(23,24)。类似的概念也可以应用于智能建筑，通过室内水伏特能量收集和气候调节显著降低电力需求。在更大规模的应用中，水伏特效应可以为解决热岛效应提供创新方案，并与光伏等技术结合促进太阳能的利用。

图1

图1. 通过水与固体相互作用从水循环中产生的水伏特效应。水蒸发、水分吸附以及水滴在功能材料上的运动可以引发定向电荷流动，从而产生“水伏特能量”、“水伏特生态”和“水伏特智能”。

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与此同时，水介导的离子传输和界面电荷传输动态为“水伏特智能”开辟了新的途径。早期的应用可能出现在柔软的生物集成平台上，例如可以从汗液或呼吸湿气中获取能量的水伏特纤维或皮肤贴合贴片（(25)。展望未来，可以想象分布式水伏特装置作为自主传感和执行节点运行，它们的集体行为会产生系统级的智能。更有趣的是，人脑是一个高度进化的含水离子环境，其中精细调控的离子迁移、结构化的水合层和蛋白质构象动态共同产生和处理电信号（(26)。理解这些耦合的水-离子-电子过程如何编码、传输和转换信息，将揭示连接物质、能量和信息的通用物理规律，为开发自供电、自感知和具有适应性的智能介质提供灵感。实现这一愿景需要新的策略，以在水合三维架构中协同设计离子和电子传输机制，并开发出适用于连续水环境操作的稳健设备。随着这些挑战的解决，水伏特技术最终可能实现可持续能源收集、环境调节和自适应信息处理的无缝融合。