Nature子刊：納米碳材料水蒸發過程的誘導生電（附視頻）

【引言】

水蒸發是水分子由液態轉化為氣態并從自然界自發吸熱的過程。納米碳（石墨烯或氧化石墨烯納米片，多壁碳納米管，炭黑納米顆粒等）在組裝成塊體或膜狀材料后，通常仍具有較大的比表面積，容易官能化從而親疏水性可調，含有多級孔道的微觀結構，這些特點使體相納米碳材料具有豐富的毛細孔道，在水溶液中能夠通過親水表面的毛細作用吸附水分子，從而實現孔道中水分子的快速滲透。

流體在多孔介質中流動時,由于固-液界面擴散雙電層的存在,流體的流動會產生流動電位現象，這個雙電層的運動邊界誘發介質材料中的電荷轉移，相當于一個局部的發電機。曾有研究人員報道發現了石墨烯與流體界面耦合時產生電勢的新動電效應（Nature Nanotechnology 2014, 9, 378. doi:10.1038/nnano.2014.56）。

【視頻介紹】

1. 制備方法演示視頻
2. 蒸發誘導生電器件的組裝

【成果簡介】

近日，華中科技大學周軍教授與南京航空航天大學郭萬林教授（共同通訊）在Nature Nanotechnology 上合作發表文章“Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials”。他們發現，納米碳材料表面的水蒸發過程能夠誘導產生電能，以炭黑為例，室溫下，厘米級尺寸炭黑片表面的水分子蒸發過程可以誘導產生約1V的電壓。與蒸發過程一致，溫度，環境濕度、和液體表面的氣流速度都會引起誘導電壓的變化。這歸因于水分子與碳原子層之間的相互作用，及其蒸發過程中水分子在納米碳層間的流動誘導了電壓的產生，這一過程類似于傳統的流動電勢，在壓力梯度下驅動離子溶液通過狹縫或多孔介質從而使其兩側產生電位差。

【圖文導讀】

圖1.實驗裝置示意圖及微觀結構原理示意。

a. 該實驗裝置用來測試在炭黑樣品上水蒸發誘導產生電壓的過程。首先，通過酒精燈明火灼燒法在涂覆有多壁碳管雙電極的石英基片上沉積得到厘米級尺寸的炭黑（Carbon Black, CB）層（酒精不完全燃燒的產物），再經高溫退火和等離子體濺射后處理使其穩定和親水化。由掃描和透射電鏡照片可知炭黑層厚度70μm，松散的炭黑納米顆粒由無序的石墨烯片堆疊形成。

b. 將組件浸入去離子水中，水分子在多孔炭黑的孔隙和石墨烯片層間不斷發生毛細滲透并在其表面揮發。

c. 常規室溫和濕度下，水分子在炭黑表面揮發過程中產生開路電壓過程曲線，圖中分別為0-1.5h, 70-70.1h, 163-163.1h的電壓曲線。測試過程中，隨著炭黑毛細孔道的飽和后，誘導電壓穩定在1V左右。

圖2.CB片上水蒸發誘導生電的進一步證明-環境的影響。

a. 將燒杯密封，水蒸發作用逐漸停止，誘導電壓也逐漸降低最終在1000s時消失；解封后誘導電壓又重新恢復到85V，表現出炭黑表面水蒸發作用與誘導電壓的關聯性。

b. c. d. 加快蒸發液面空氣流速（起風）后，誘導電壓進一步提高；提高空氣濕度也能使蒸發速度減慢從而降低誘導電壓；提高溫度加快蒸發速率從而提高誘導電壓。

e.七電極組件用來證實誘導電壓與蒸發作用的聯系。底部的V_1-2電極完全浸沒水中，沒有蒸發作用從而沒有電壓信號產生。V_2–3, V_3–4, V_4–5, V_5–6部分由于高度的增加毛細作用增大蒸發速度更快因此誘導電壓逐漸增加。由于毛細作用有限，V_6–7處于最高位置沒有蒸發作用因此沒有電壓信號。

f.將雙電極方向對調另一端插入水中，誘導電壓與原電壓幅度一致符號相反。

圖3.水蒸發誘導生電的機理研究。

a. b. 石墨烯片層上水分子吸附而引起的電荷重新分布進行密度泛函理論的計算。

c. 從FTIR紅外光譜和接觸角的結果看出炭黑親水化后含氧官能團的增加和接觸角的減小（接觸角從疏水的145.25°變化到親水的10.15°）。并且，未經親水化的炭黑其誘導電壓僅為45μV。

d. e. 為了證明是CB片層間蒸發的水分子流動誘導電壓產生，通過設計圖示實驗，底部的CB片層連接的雙電極被PE膜密封（內部濕度為100%無蒸發作用），頂部接觸外界大氣。無氣流條件下誘導電壓為0.16V，隨氣流流速增大電壓可增至0.27V，因此電壓的增大歸因于水分子沿多孔的CB片層毛細蒸發作用。

圖4.蒸發誘導生電的器件組裝。

a. 四個由炭黑/水構成的獨立組件、串聯、并聯電路的伏安特性曲線。（右上為對應串聯電路圖）

b. 炭黑/水組件構成的串聯電路為液晶顯示器供電（對應視頻2）。

【小結】

作者通過巧妙地設計實驗裝置，發現了水分子在多孔炭黑材料中通過毛細管作用吸附并蒸發，形成自發產生的流動電勢，并以多壁碳管為雙電極來測試相應的誘導電壓。不僅僅是炭黑，這種水分子蒸發誘導生電現象同樣發生在多壁碳納米管膜，乙炔炭黑，甲苯炭黑和蠟燭灰等碳材料中，誘導電壓也隨著材料的親水性、比表面積及微觀結構不同而各有差異。相比于傳統的流動電勢需要有附加壓力差、溫度差或濃度差等條件存在下產生，文中的水蒸發生電過程只是從環境蒸發吸熱的自發過程，并無額外的機械功和能量的輸入。經過優化后，水分子通過碳材料蒸發誘導生電的過程有希望用以輔助殺菌、凈水等設備的相關應用中。

原文鏈接：Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials（Nature Nanotechnology，2017, doi:10.1038/nnano.2016.300）

本文由材料人編輯部納米學習小組大嘴巴荼荼供稿，材料牛編輯整理。

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