郭万林院士团队Nature Nanotechnology：“逆流而上”，开创绿色可持续发展新途径！

【科学背景】

水伏技术是一种新兴的能量收集方法，吸引了广泛关注。传统能量收集技术，如水力发电和太阳能电池，虽然已经得到广泛应用，但面临着诸如设备体积大、资源有限等问题。因此，通过直接利用水和纳米材料之间的相互作用来发电的水伏技术，成为了一个备受瞩目的领域。

水伏技术利用水分子的运动和与纳米结构表面的相互作用来产生电能。目前已开发出多种水伏设备，涵盖了从水滴、水蒸发到波浪等多种形式的水资源。然而，传统水伏技术中存在着电能生成效率低、设备操作时间短等问题，主要原因在于依赖于水分子在纳米结构中的定向流动，且通常为下游离子运动。

为了解决传统水伏技术中存在的问题，清华大学深圳研究院丘陵副教授联合南京航空航天大学郭万林院士、殷俊教授和仇虎教授合作在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels”的最新研究论文。他们转向研究质子在纳米通道中的逆向扩散现象。在二维纳米通道结构中，质子的逆向扩散是一个相对新颖的概念。研究显示，当水分子渗入通道时，通道表面的官能团会解离出质子，形成高浓度的质子区域，从而驱动质子向反方向扩散。这种机制不仅与传统水伏技术中的流动电位不同，而且能够在毛细管渗透停止后持续产生电能，大大延长了设备的运行时间。

本研究通过实验和模拟相结合，详细探究了MXene/聚乙烯醇（PVA）复合薄膜（MPCF）中二维纳米通道中的质子逆向扩散现象，并验证了其持续发电的能力。研究结果表明，仅使用少量水滴就能够产生稳定的电压输出，适用于柔性、穿戴式设备，例如从人体汗液中收集能量。这一发现不仅拓展了水伏技术的应用领域，还为微纳米尺度能量收集提供了全新的思路和方法。

【科学亮点】

（1）实验首次展示了在MXene/聚乙烯醇（PVA）复合薄膜的二维纳米通道中，质子上游扩散的电力生成机制，证明了质子在与水流相反的方向移动可以产生电压。

（2）通过将水滴渗透到纳米通道中，实验观察到水分子导致通道表面官能团的质子解离，形成高浓度质子。这些质子在水流驱动的毛细作用下，逆流而上，推动了电流的生成。

（3）研究表明，使用仅5微升的水滴可以实现约400毫伏的开路电压，并且这种发电过程能够持续超过330分钟，显著优于传统水伏设备的短暂发电时间。

（4）实验通过结合理论模拟与实际测量，揭示了水的扩散速度对发电效率的影响。尽管通道内水分子扩散缓慢，质子的逆向运动却能有效补偿，从而实现持久的电力输出。

（5）此外，基于该机制，研究团队设计了一种超薄柔性的可穿戴设备，能够从人类皮肤的汗液中收集能量，展现了该技术在实际应用中的广阔前景。

【科学图文】

图1：MXene/聚乙烯醇poly(vinyl alcohol) 复合膜composite film，MPCF设备的配置、特性和性能。

图2：常规机制的排查。

图3：在MXene/聚乙烯醇复合膜MPCF中，极慢的水渗透。

图4：质子上游扩散upstream diffusion感应电流。

图5：器件集成和应用。

【科学结论】

本研究揭示的上游质子扩散发电机制为水伏技术的发展提供了新的视角，展示了纳米材料在能源收集中的潜力。传统水伏设备通常依赖于水流动与离子同向移动，而本研究通过展示质子在水流逆向的情况下仍能有效发电，打破了这一局限。这一发现不仅说明了质子解离和扩散在能量转换中的关键作用，也为设计新型水伏设备开辟了更多可能性。

研究中，MXene/PVA薄膜的二维纳米通道表现出独特的化学和物理特性，能够有效促进质子的解离和扩散。这一过程的持续性和高效性使得该装置能够在长时间内提供稳定的电能输出，显示出优于传统设备的性能。这种新机制的广泛适用性意味着未来的水伏设备可以在多种含水环境中有效运行，例如湿润的自然环境或人体汗液等。

此外，本研究强调了纳米材料在能源技术中的重要性，尤其是在环保和可持续发展的背景下。随着全球对清洁能源的需求日益增加，开发能够在日常生活中无缝集成的能量收集设备将变得越来越重要。因此，本研究不仅为水伏技术的进一步发展提供了理论支持，也为未来的工程应用指明了方向，促进了新型能源材料的研究与开发。通过对质子行为的深入理解，我们有望创造出更高效、更便捷的能量收集解决方案，为实现可持续发展的目标贡献力量。

原文详情：Xia, H., Zhou, W., Qu, X. et al. Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01691-5