Nature子刊：纳米碳材料水蒸发过程的诱导生电（附视频）

【引言】

水蒸发是水分子由液态转化为气态并从自然界自发吸热的过程。纳米碳（石墨烯或氧化石墨烯纳米片，多壁碳纳米管，炭黑纳米颗粒等）在组装成块体或膜状材料后，通常仍具有较大的比表面积，容易官能化从而亲疏水性可调，含有多级孔道的微观结构，这些特点使体相纳米碳材料具有丰富的毛细孔道，在水溶液中能够通过亲水表面的毛细作用吸附水分子，从而实现孔道中水分子的快速渗透。

流体在多孔介质中流动时,由于固-液界面扩散双电层的存在,流体的流动会产生流动电位现象，这个双电层的运动边界诱发介质材料中的电荷转移，相当于一个局部的发电机。曾有研究人员报道发现了石墨烯与流体界面耦合时产生电势的新动电效应（Nature Nanotechnology 2014, 9, 378. doi:10.1038/nnano.2014.56）。

【视频介绍】

1. 制备方法演示视频
2. 蒸发诱导生电器件的组装

【成果简介】

近日，华中科技大学周军教授与南京航空航天大学郭万林教授（共同通讯）在Nature Nanotechnology 上合作发表文章“Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials”。他们发现，纳米碳材料表面的水蒸发过程能够诱导产生电能，以炭黑为例，室温下，厘米级尺寸炭黑片表面的水分子蒸发过程可以诱导产生约1V的电压。与蒸发过程一致，温度，环境湿度、和液体表面的气流速度都会引起诱导电压的变化。这归因于水分子与碳原子层之间的相互作用，及其蒸发过程中水分子在纳米碳层间的流动诱导了电压的产生，这一过程类似于传统的流动电势，在压力梯度下驱动离子溶液通过狭缝或多孔介质从而使其两侧产生电位差。

【图文导读】

图1.实验装置示意图及微观结构原理示意。

a. 该实验装置用来测试在炭黑样品上水蒸发诱导产生电压的过程。首先，通过酒精灯明火灼烧法在涂覆有多壁碳管双电极的石英基片上沉积得到厘米级尺寸的炭黑（Carbon Black, CB）层（酒精不完全燃烧的产物），再经高温退火和等离子体溅射后处理使其稳定和亲水化。由扫描和透射电镜照片可知炭黑层厚度70μm，松散的炭黑纳米颗粒由无序的石墨烯片堆叠形成。

b. 将组件浸入去离子水中，水分子在多孔炭黑的孔隙和石墨烯片层间不断发生毛细渗透并在其表面挥发。

c. 常规室温和湿度下，水分子在炭黑表面挥发过程中产生开路电压过程曲线，图中分别为0-1.5h, 70-70.1h, 163-163.1h的电压曲线。测试过程中，随着炭黑毛细孔道的饱和后，诱导电压稳定在1V左右。

图2.CB片上水蒸发诱导生电的进一步证明-环境的影响。

a. 将烧杯密封，水蒸发作用逐渐停止，诱导电压也逐渐降低最终在1000s时消失；解封后诱导电压又重新恢复到85V，表现出炭黑表面水蒸发作用与诱导电压的关联性。

b. c. d. 加快蒸发液面空气流速（起风）后，诱导电压进一步提高；提高空气湿度也能使蒸发速度减慢从而降低诱导电压；提高温度加快蒸发速率从而提高诱导电压。

e.七电极组件用来证实诱导电压与蒸发作用的联系。底部的V_1-2电极完全浸没水中，没有蒸发作用从而没有电压信号产生。V_2–3, V_3–4, V_4–5, V_5–6部分由于高度的增加毛细作用增大蒸发速度更快因此诱导电压逐渐增加。由于毛细作用有限，V_6–7处于最高位置没有蒸发作用因此没有电压信号。

f.将双电极方向对调另一端插入水中，诱导电压与原电压幅度一致符号相反。

图3.水蒸发诱导生电的机理研究。

a. b. 石墨烯片层上水分子吸附而引起的电荷重新分布进行密度泛函理论的计算。

c. 从FTIR红外光谱和接触角的结果看出炭黑亲水化后含氧官能团的增加和接触角的减小（接触角从疏水的145.25°变化到亲水的10.15°）。并且，未经亲水化的炭黑其诱导电压仅为45μV。

d. e. 为了证明是CB片层间蒸发的水分子流动诱导电压产生，通过设计图示实验，底部的CB片层连接的双电极被PE膜密封（内部湿度为100%无蒸发作用），顶部接触外界大气。无气流条件下诱导电压为0.16V，随气流流速增大电压可增至0.27V，因此电压的增大归因于水分子沿多孔的CB片层毛细蒸发作用。

图4.蒸发诱导生电的器件组装。

a. 四个由炭黑/水构成的独立组件、串联、并联电路的伏安特性曲线。（右上为对应串联电路图）

b. 炭黑/水组件构成的串联电路为液晶显示器供电（对应视频2）。

【小结】

作者通过巧妙地设计实验装置，发现了水分子在多孔炭黑材料中通过毛细管作用吸附并蒸发，形成自发产生的流动电势，并以多壁碳管为双电极来测试相应的诱导电压。不仅仅是炭黑，这种水分子蒸发诱导生电现象同样发生在多壁碳纳米管膜，乙炔炭黑，甲苯炭黑和蜡烛灰等碳材料中，诱导电压也随着材料的亲水性、比表面积及微观结构不同而各有差异。相比于传统的流动电势需要有附加压力差、温度差或浓度差等条件存在下产生，文中的水蒸发生电过程只是从环境蒸发吸热的自发过程，并无额外的机械功和能量的输入。经过优化后，水分子通过碳材料蒸发诱导生电的过程有希望用以辅助杀菌、净水等设备的相关应用中。

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

本文由材料人编辑部纳米学习小组大嘴巴荼荼供稿，材料牛编辑整理。

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