Nano energy：基于光熱驅動的Ti3C2Tx的MXene納米流體水泵發電

【背景】

一種流行的收集太陽能的方法是將光轉換為熱，然后轉換為水的動能，最后轉換為電，即所謂的聚光太陽能。但是，它需要非常龐大的組件，從而限制了應用程序。在這項研究中，我們提出了一種小型化的納米流體版本-只需將MXene薄膜放在離子溶液上，然后將薄膜的一部分暴露在光下即可。MXene獨特的光熱特性將不對稱光輻射轉換為水蒸發梯度，從而將水泵送通過薄膜中的納米流體通道，從而傳輸陽離子并產生離子電流。我們期望這項研究能夠激發更多的研究來探索納米流體光熱發電作為一種替代太陽能發電技術的可能性，從而為微流體/納米流體設備供電。

【成果簡介】

近期，天津大學羅家嚴等共同通訊在Nano Energy上發表了題為“Electricity Generation Based on a Photothermally Driven Ti₃C₂T_x MXene Nanofluidic Water Pump”的研究論文。該研究中我們演示了實現與聚光太陽能相似的能量轉換步驟的納米流體光熱發電。配置非常簡單：將MXene的多層膜放在離子溶液的頂部后，在不對稱光照射下會產生光熱電。我們發現，由于MXene具有出色的光熱特性，它可以將不對稱光輻照轉換為溫度梯度，導致水通過MXene膜中的納米流體通道進行不對稱蒸發。該蒸發梯度驅動水流過通道，將熱能轉換為水的動能。由于帶負電的MXene，這種水流在雙電層內傳輸陽離子，從而產生流動電流。

【圖文導讀】

圖1. 納米流體光熱發電

(a) MXene薄膜橫截面的SEM圖像(插圖:厚度為1.5 nm的脫落納米片的AFM圖像)；

(b) 將MXene薄膜置于離子溶液(1 M NaCl)上，一端置于光照射下產生電流。俯視圖紅外圖像(底部)顯示了MXene膜在右端輻照時的溫度分布；

(c) 100 mW/cm²光照射下產生的電流。

圖2. 電流生成的機理

(a) 機理示意圖。簡單地說，不對稱的光照射在薄膜上引起溫度梯度，從而引起水的蒸發梯度。在慢蒸發區(這里左邊，當右端受到輻射時)的水被迫流到快蒸發區(右邊)，以補償水的損失，它運輸帶負電荷的MXene片的電雙層內的陽離子。陽離子的這種定向傳輸產生凈電流；

(b) MXene納米片的負zeta電位，確定其負表面電荷；

(c) 對于均勻輻照膜，水的蒸發隨光功率的增大而增大，說明不對稱輻照導致不對稱蒸發是合理的；

(d) 即使建立了~ 20c的溫度梯度(inset紅外圖像)，密封膜(inset方案)僅產生0.4 A電流；

(e) 在沒有光照射的情況下，半密封的薄膜產生~3倍的電流。上述結果證實了蒸發在當前發電中起著關鍵作用。為了進一步證實電流來源于水流；

(f) 離子溶液的水滴沿MXene薄膜移動；

(g) 只有當液滴運動時，才產生電流；

(h) 所產生的電流隨液滴運動速度線性增大。

圖3. 光輻照不對稱性、光功率和離子濃度的影響

電流的產生很大程度上依賴于光的不對稱性，表現在兩個方面：a)從膜的左端到中心到右端的光的連續響應；b)不同照射位置下的平均值。c)電流隨光功率的增加近似線性增加。d)它也隨著離子濃度的增加而增加。

圖4. 概念驗證應用

收集太陽能。MXene薄膜漂浮在1 M NaCl溶液上，放置在室外，從早上6:00到晚上22:00進行發電。對于不對稱光照射，薄膜的一半折疊在水下。電流依賴于陽光，但由于水的不斷蒸發，仍可在晚上產生。

【小結】

??? 在這項工作中，我們展示了一種納米流體光熱發生器，它讓人聯想到聚光太陽能。利用MXene薄膜將不對稱的光照射轉化為蒸發梯度，將水泵入納米流體通道，誘導流動電流。值得注意的是，在類似的光功率密度下，納米流體的光電流比其他二維材料高幾個數量級。如果將來用于太陽能熱發電，可能會顯示出顯著的優勢。首先，它的配置非常簡單，這有助于降低安裝成本，使其更適合于調度發電。其次，由于蒸發機制，它也使電力在晚上生產。第三，它的小尺寸，使其用于小規模的電力輸送，并在小型化的設備。第四，它還可以與太陽能淡化技術相結合，在淡化海水的同時獲取電力。

文獻鏈接

Electricity Generation Based on a Photothermally Driven Ti₃C₂T_x MXene Nanofluidic Water Pump

本文由luna編譯供稿。

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