图 质子自扩散生电原理

　　在国家自然科学基金项目（批准号：T2293691、T2293693）等资助下，南京航空航天大学郭万林院士、清华大学深圳研究院丘陵副教授团队合作发现了一种基于质子逆流自扩散的水伏生电新机制，为高效捕获水中能量提供了新途径（图）。相关研究成果以“二维纳米通道质子逆流扩散生电（Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels）”为题，于2024年7月15日发表在《自然•纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01691-5。

　　水是生命之源，电是现代化之本。水吸收太阳到达地表能量的70%，是地球表面最重要的能量载体。因此，从水中直接获取有用的电能一直是发展清洁能源的重要途径之一。早在1859年，研究人员便观察到狭窄通道内离子的定向输运会产生电势差，即流动势。在此基础上，过去一百多年来衍生了一系列动电能量转换技术。近年来，能通过功能材料与水相互作用直接生电的水伏效应受到广泛关注，因其具有从雨滴、波浪、蒸发等水循环各个环节中全链条式捕获能量的潜力。在众多动电能量转换过程中，离子沿水流方向的定向输运扮演重要作用，往往被认为是生电的必要条件。

　　研究团队发现了一种全新的能量转换机制——“质子逆流自扩散”生电。团队基于具有二维纳米通道结构的MXene/PVA复合薄膜构筑了水伏器件，其在被非对称性浸润时会产生电能。结合分子动力学、连续介质有限元的多尺度模拟和原位拉曼光谱的质子扩散动力学表征，证实水在纳米通道中的渗透过程伴随着质子沿水流方向相反的自发扩散，从而产生电势差。团队基于这一新型水伏能量转换原理实现了长时、稳定的能量转换，并构筑了便携式集成发电装置。这一发现不仅拓展了传统水伏发电的理论框架，还为水伏发电技术发展开辟了新方向。