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通过电镜表征可以看出,装置中碳黑片层厚度约70 μm,由直径约为20 nm的洋葱状的纳米粒子组成。在高倍电镜下可以看出这些粒子本质是松散堆积的无规则的石墨烯片,呈多孔性。而退火与等离子处理使得碳黑表面引入丰富的官能团,同时使其拥有亲水性。
装置的电镜表征图。图片来源:Nature Nanotech.
接着,研究人员将此装置部分浸入到去离子水中,惊奇地发现在室温条件下两电极之间能产生开路电压,并且逐渐升高到1 V。在长达8天的实验中,该装置的开路电压能稳定维持住1 V 左右,短路电流在150 nA 左右。
研究人员进一步证实可持续电压是由碳黑片层上的水蒸发引起的,并猜想产电机理是水分子与碳材料之间的相互作用,特别是蒸发引起的多孔碳膜中的水流。通过计算模拟、傅里叶变换红外光谱、X 射线光电子能谱等实验,研究人员发现退火与等离子处理引入的官能团对产电起到了关键作用。
利用水蒸发产电示意图。图片来源:Nature Nanotech.
后续,研究人员通过实验证实了产电的机理,由于水的持续蒸发会引起水流入到多孔的碳黑片层中,即电解质溶液在带电荷的绝缘表面流动,将会产生一种电动现象,科学家称之为流动电位。
最后,研究人员通过搭建简单的串联装置,能够轻松地将输出电压提高到4.8 V,并成功地为液晶显示屏供能。
研究人员提到,利用震动能、太阳能、风能、海洋能等发电,必须依赖于相应的复杂环境,而利用水蒸发能直接将室温环境中的热能转化为电能。与传统的利用外在压力梯度、温度梯度或是化学浓度梯度产生的流动电位相比,这种方法利用自然现象即可产电,而不需要外在的机械作用及能量输入。
研究人员计划将来设计出更强的产电装置,来完成诸如除菌、水纯化及脱盐的工作。
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