比指甲还小也能做到？……最长运行45小时、汗液也能驱动的发电器[读懂科学]
UNIST开发利用离子浓度差的超小型水分发电机
自来水、海水和汗液均可使用……连接48个驱动数字时钟
一种比指甲还小的发电器已被开发出来，仅用少于雨滴的水量，最长可持续产生45小时电压。它不同于利用落水冲力带动涡轮的传统水力发电，而是通过水中离子浓度差发电。
蔚山科学技术院（UNIST）9日表示，能源化学工程系Ko Hyunhyeop教授团队开发出一种超小型薄膜水分发电器，可自主形成水中阳离子浓度差，并长时间输出直流电压。Na Sangyun博士和Jeong Geonyeong博士作为共同第一作者参与研究。
该发电器长5毫米、宽7毫米，比指甲更小。实际发电的薄膜厚度仅为15微米（μm）。一次加入3微升（μL）水后，可维持20小时以上的电压，最长约45小时持续输出电压。
其关键在于水流经的纳米级通道。研究团队将发电器内部设计为微小通道向一侧逐渐收窄的结构。
非对称纳米通道水分发电器的结构与工作原理。吸水后，薄膜内部形成宽度逐渐缩小的纳米通道，通过阳离子浓度差产生电压。仅用3微升水即可持续输出电压最长45小时。研究团队供图
View original image通道壁由在水中带负电的MXene和纤维素纳米纤维构成。带负电的通道壁会吸引阳离子，且通道越窄，这种作用越强。因此，较窄一侧聚集的阳离子相对更多，较宽一侧则相对较少，从而形成浓度差。这种差异会驱动离子迁移，进而产生电压。
一侧膨胀，另一侧受压……自行形成的“离子浓度差”
其特别之处在于，无需借助额外装置形成离子浓度差。
发电器薄膜由多层MXene纳米片之间嵌入纤维素纳米纤维制成。薄膜一端遇水后，纤维素纳米纤维会膨胀；另一端则用胶带压住，使其无法膨胀。仅需加水，便可形成从一端到另一端逐渐收窄的通道结构。
水通过毛细现象迅速扩散至薄膜内部的纳米通道。层层堆叠的通道依次被水填满，使离子迁移得以长时间持续。
现有水分发电器主要利用水的蒸发或吸收空气中水分的现象形成离子浓度差。因此，其输出会随周围湿度或空气流动而变化，也难以对发电器进行密封。此次发电器凭借自身结构形成离子浓度差，即使在密闭状态下也能长时间维持电压。
自来水·海水·汗液均可……连接48个单元驱动手表
轻薄柔韧也是其特点。研究团队将发电器设计为可多层堆叠，并将48个由两层构成的单元器件串联，成功驱动实际的数字手表。
可使用的水也不限于特定种类。除自来水外，海水和汗液同样能够产生电力。
研究团队预计，未来该技术可用作可穿戴电子设备或小型传感器等无需大量电力设备的自发电电源。
UNIST教授Ko Hyunhyeop表示：“该技术的优点在于，即使在密闭状态下也能长时间维持电压，且具有轻薄、柔韧的特性，可通过多层堆叠产生足够电力。除可穿戴电子设备外，还有望拓展为小型传感器、分布式电子设备等多种自发电电源技术。”
这项研究成果已发表于国际学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）。
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