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  隨著科技的迅速發(fā)展，能源緊缺的問題越來(lái)越嚴(yán)重。近年來(lái)，從大自然環(huán)境中收集能源已經(jīng)被廣泛探索，例如壓電、熱電、光電和納米水力發(fā)電等方式成功的證明了可以將其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的可能性。但很多納米發(fā)電機(jī)還需要外部壓力來(lái)保持功率輸出，容易受環(huán)境影響，這在實(shí)際應(yīng)用中可能存在一些困難。而從豐富的水資源中獲取電能已被公認(rèn)為是解決而日益嚴(yán)重的能源短缺問題的有效方法。但目前的大多研究由于材料結(jié)構(gòu)單一，現(xiàn)有的大多數(shù)納米發(fā)電器件的發(fā)電性能并不理想。如何將器件的結(jié)構(gòu)和組成通過簡(jiǎn)單的方式結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生能夠?qū)嶋H應(yīng)用的功率，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 (a) Ti₃C₂T_x MXene納米片的制備流程，(b) CMTEPG的制備流程，插圖為制備的CMTEPG樣品與銀杏樹皮

  在蒸騰作用下自然界的銀杏樹是通過表皮木質(zhì)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，驅(qū)使水分從根部通過滲透作用流向枝葉。受此啟發(fā)研究團(tuán)隊(duì)制備了一種CNT/MXene蒸騰驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)（CMTEPG）復(fù)合棉織物。首先使用經(jīng)典的堿洗方法對(duì)棉織物進(jìn)行清洗、烘干備用，將棉織物浸泡在CNT-OH/MXene溶液中，然后在真空條件下烘干制成CMTEPG樣品（如圖1所示）。在毛細(xì)芯吸作用和水蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)水分子流經(jīng)高吸水性CMTEPG上的納米通道時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出功率。此外，得益于CNT良好的機(jī)械性能，該發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和柔韌性。

圖2（a）、（b）在5mlNaCl(3.5 wt%)溶液中不同體積電阻CMTEPG的開路電壓和短路電流的變化；CMTEPG在不同體積電阻下的（c）最大開路電壓和短路電流趨勢(shì)（d）實(shí)際輸出功率。

  在實(shí)驗(yàn)過程中團(tuán)隊(duì)分析了CMPTEPG的體積電阻對(duì)其能量產(chǎn)生的影響(圖2a和圖2b)，結(jié)果顯示開路電壓值隨著電阻的增大而增大，在0.5kΩ之后逐漸呈飽和現(xiàn)象，而電流呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)(圖2c)。由于這里電流決定發(fā)電性能，通過對(duì)比不同體積電阻下CMPTEPG的輸出功率，在低電阻狀態(tài)下求得最大的輸出功率(圖2d)。

圖3 CMTEPG在（a）不同種鹽溶液的開路電壓和短路電流（濃度均為1M），（b）不同pH值的鹽酸溶液中的開路電壓，在不同濃度NaCl溶液中的（c）實(shí)際輸出電流（d）實(shí)際輸出功率。

  研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)CMTEPG進(jìn)行了不同鹽溶液條件下的發(fā)電性能測(cè)試（濃度均為1M）。水合陽(yáng)離子半徑的增大順序?yàn)?/span>Li⁺ > Na⁺ > K⁺，對(duì)于堿(一價(jià))元素的氯鹽，陽(yáng)離子半徑較小的氯鹽產(chǎn)生更高的電壓和電流，這也與典型闡明的涉及雙層的能量產(chǎn)生機(jī)制一致（圖3a）。他們發(fā)現(xiàn)V_OC和輸出功率隨著pH的降低而增加，顯然液體的性質(zhì)影響了發(fā)電性能（圖3b）。如圖3c所示，實(shí)際輸出電流隨NaCl濃度的增加而逐漸增加，實(shí)際輸出電流在NaCl溶液為3 M時(shí)達(dá)到最大值329μA，對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸出功率為46.63μW（圖3d）。這和目前大部分關(guān)于納米水力發(fā)電機(jī)的報(bào)告中的功率輸出相比都要好。

圖4 模擬海水浸泡（a）10個(gè)串聯(lián)的CMTEPG器件點(diǎn)亮紅色LED（額定輸入電壓2.0V，額定輸入電流20mA），（b）20個(gè)串聯(lián)的CMTEPG器件啟動(dòng)藍(lán)色LED顯示。

  由于CMPTEPG的制備過程簡(jiǎn)單，并且在在均勻的水溶液環(huán)境中的可持續(xù)發(fā)電性能，當(dāng)串聯(lián)或并聯(lián)連接時(shí)，納米發(fā)電機(jī)可以很容易地?cái)U(kuò)大規(guī)模。將10個(gè)CMPTEPG (尺寸為3cm×10cm)串聯(lián)在一起，開路電壓可達(dá)到~3 V，如圖4a所示。而且通過這樣簡(jiǎn)單的串聯(lián)設(shè)計(jì)，CMPTEPG可以為常見的電子設(shè)備進(jìn)行供電，他們將十個(gè)CMPTEPG進(jìn)行串聯(lián)時(shí)可以產(chǎn)生足夠的功率來(lái)照亮一個(gè)紅色LED（2.0V，20mA）燈。除此之外，使用20個(gè)單位CMPTEPG串聯(lián)而成的“電池”，通過模擬海水（3.5 wt% NaCl溶液）的水力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的能量可以很輕松的將LED顯示屏（3.3V）點(diǎn)亮（圖4b）。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142582