自1859年以来，人们观察到离子在窄通道中沿压力驱动的水流运动，这种现象称为顺流离子传输。顺流离子传输可产生流电势，并催生了各种水伏特装置。水伏技术利用纳米材料与水分子（液体或蒸汽）之间的相互作用，从自然水循环中获取巨大能量，因此在缓解全球能源危机方面具有巨大潜力。例如，将水滴滴在纳米材料上或将纳米材料的一侧浸入水溶液中，可以诱导定向水流通过带电表面的纳米通道，从而提供连续电力。在水溶液中，与带电表面极性相反的离子随水流移动是这一过程的关键。
在此，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打破了离子随毛细管水流传输的传统观点，证明在 MXene/PVA薄膜的二维纳米通道中与水流相反的质子运动（称为上游质子扩散）也能产生电能。渗入通道的水会导致质子与通道表面的官能团解离，从而在通道内形成高质子浓度，推动上游质子扩散。再加上通道内水的扩散特别缓慢，一个 5 µl 的小水滴就能在 330 分钟内产生约 400 mV 的电压。得益于薄膜的超薄和柔韧特性，作者制造出了一种从人体皮肤汗液中收集能量的可穿戴设备。
相关成果以“Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels”为题发表在《Nature Nanotechnology》上，第一作者为Heyi Xia, Wanqi Zhou, Xinyue Qu, Wenbo Wang为共同一作。
由于质子解离和扩散现象普遍存在，作者的研究为设计能在各种含水环境中运行的水力发电装置提供了新的可能性。
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2024-07-23
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