随着可再生能源需求的不断增加，能源收集技术引起了广泛关注。特别是水伏技术作为一种新兴的能源收集方式，因其能够从水中直接生成电能而备受瞩目。这种技术的核心在于利用水流的动能或水滴的重力势能来驱动电荷的迁移，从而实现电能的转换。尽管已有多种水伏设备的开发，主要依赖于毛细管渗透、蒸发等机制，当前大多数技术仍面临发电效率低、持续发电时间短等问题。这些设备通常只能在水流动或水滴落下时工作，导致发电的间歇性和限制性。
上游质子扩散是一种涉及在水流方向相反的情况下质子的运动。然而，目前的研究主要集中于下游离子传输和流动电位的机制，这使得上游质子扩散的潜在应用尚未被充分探索。因此，如何利用上游质子扩散生成稳定的电能，成为了亟待解决的科学问题。
为此，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”的最新论文。研究团队通过开发一种新型的MXene/聚乙烯醇（PVA）复合薄膜，探索了在二维纳米通道内的上游质子扩散机制。通过将水渗透到通道中，研究人员发现水分子促使表面官能团解离，释放出质子，从而在通道内形成高浓度的质子。这种质子的运动方向与水流相反，形成了上游质子扩散，进而生成电能。实验表明，仅用5微升的水滴，便可持续产生约400毫伏的电压，长达330分钟以上。
（1）本研究首次展示了在MXene/聚乙烯醇（PVA）复合薄膜的二维纳米通道中，通过质子上游扩散实现发电的机制。与传统的下游离子传输不同，该机制表明质子可以逆水流方向运动，进而生成电压。
（2）实验通过将水滴渗透到纳米通道中，观察到水的渗透导致通道表面官能团的质子解离，进而形成高浓度质子。这一过程驱动质子上游扩散，结果显示仅用5微升水滴即可产生约400毫伏的开路电压，并持续超过330分钟，展示了该装置的长效发电能力。
（3）与现有水伏设备不同，传统设备的发电依赖于水流动与离子同向移动，且发电时间受限于水流的持续性。而本研究提供的解决方案利用了水分子和质子运动的不同方向，显著延长了电能输出的时间。
（4）此外，由于MXene/PVA薄膜的超薄和柔性特性，研究成果还促成了可穿戴设备的开发，使其能够从人体汗液中收集能量，具有广泛的应用潜力和便利性。
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。
本研究首先揭示了在二维纳米通道中质子上游扩散的独特机制，为水伏技术的创新发展指明了方向。传统水伏设备主要依赖水流动引发的离子运动，而本研究的发现表明，质子的解离和扩散也能有效生成电能。这一逆向机制的运用，挑战了以往对水与电能关系的理解，提示我们在设计新型能量收集设备时，可以考虑更广泛的物质迁移过程。
其次，研究强调了材料的结构设计对电能生成效率的影响。MXene/PVA复合薄膜的使用展现了其在水伏应用中的潜力，其超薄和柔性的特性为可穿戴设备的发展奠定了基础。这种材料的组合不仅提升了电能输出的持续性，还使得设备在各种实际应用环境中更具适应性。
质子解离和扩散过程在自然界中广泛存在，这为未来在多种水环境中开发新型水伏设备提供了启示。科学家们可以探索其他具有类似特性的材料和机制，以实现更高效的能量收集和利用，推动可再生能源技术的进步。
最后，这项研究的发现不仅对基础科学研究具有重要意义，也为可持续能源的应用提供了新的视角，鼓励更多的跨学科合作与创新，从而促进清洁能源技术的快速发展，响应全球对可再生能源需求日益增长的挑战。
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
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