Matter：偶極效應增強的液流電流發電機

隨著全球能源需求持續增長以及環境問題日益突出，開發綠色、可持續的能源獲取技術已成為重要研究方向。液流發電技術能夠利用水滴、水流等自然環境中的能量，通過水–固界面電動效應實現機械能到電能的轉換，具有結構簡單、環境適應性強以及可持續供能等優勢。在LSCG中，離子的遷移速率以及離子濃度梯度的穩定性是決定輸出性能的關鍵因素。然而，現有器件往往僅依賴濃度梯度驅動離子遷移，導致電流快速衰減，難以實現持續穩定輸出。為解決這一問題，本研究提出一種“材料—界面—電場協同調控策略”。通過構建具有高比表面積和高zeta電位的Al2O3/UIO-66/PVDF復合活性材料，并在器件中引入鐵電PVDF薄膜偶極場，顯著增強器件內部電場，從而加速離子遷移并延長離子濃度梯度維持時間，實現高性能輸出。

圖1.圖1. LSCG器件結構與性能表征。(A) 偶極效應增強的LSCG器件結構及工作原理示意圖；(B) 引入PVDF薄膜前后器件的表面Zeta電位變化；(C) LSCG在滴加50 μL水后的輸出電壓與電流曲線；(D) 器件在不同外部電阻下的輸出功率密度；(E) 本研究器件性能與已報道低品位水能發電器件的性能對比。

研究人員首先設計了一種由頂部電極、鐵電PVDF薄膜、復合活性層以及底部電極組成的LSCG結構。當水滴進入器件內部納米通道后，水分子會在界面發生電離，形成H+和OH-離子。在器件內部電場的作用下，離子沿著特定方向遷移，從而在電極兩端形成穩定的電勢差并產生電流輸出。

通過引入鐵電PVDF薄膜所產生的偶極效應，器件界面的電荷密度顯著提升，使材料表面的zeta電位明顯增加。這種增強的界面電場能夠有效提高離子遷移速率，并抑制離子反向擴散，從而大幅提升器件輸出性能。實驗結果顯示，該器件的峰值電流達到1.5 mA，相較于傳統設計實現了顯著提升，同時表現出良好的穩定性和重復性。

圖2 偶極效應增強LSCG輸出性能的理論模型。(A) 引入PVDF薄膜前后界面靜電勢分布；(B) 界面電荷密度變化；(C) 沿界面方向的電荷密度分布曲線；(D) 納米通道中OH?離子濃度分布模擬；(E) 離子遷移與濃度梯度變化；(F) LSCG內部離子遷移與發電機理示意圖。

為了深入理解偶極效應對器件性能提升的機制，研究團隊結合密度泛函理論（DFT）計算與數值模擬對器件界面電場進行了系統分析。計算結果表明，鐵電PVDF薄膜所產生的偶極場能夠顯著增強界面電勢梯度，從而提高離子遷移驅動力。

同時，模擬結果顯示，在偶極效應作用下，納米通道內OH-離子的遷移速度明顯提升，并在電極兩端形成更穩定的離子濃度梯度。這種穩定的離子遷移過程能夠持續驅動電子流動，從而實現穩定的電流輸出。理論計算與實驗結果相互驗證，進一步證明了偶極效應在提升LSCG性能方面的重要作用。

圖3 (A)不同Al2O3/UIO-66摩爾比對輸出性能的影響；(B) 活性材料與PVDF粘結劑質量比對輸出性能的影響；(C) 不同PVDF薄膜厚度對器件輸出的影響；(D) 不同水滴體積對輸出性能的影響；(E) 不同水溫條件下器件輸出變化；(F) 不同濕度條件下的輸出穩定性；(G) 不同NaCl濃度對器件輸出性能的影響；(H) 器件面積對輸出電流的影響；(I) 多次循環測試下的器件穩定性。

為了進一步優化LSCG器件性能，研究人員系統研究了材料比例、結構參數以及環境條件對輸出性能的影響。實驗結果表明，當Al2O3與UIO-66的比例達到最佳值時，復合材料具有更高的比表面積和界面電荷密度，從而顯著提升離子遷移效率。

此外，適當的PVDF粘結劑含量和薄膜厚度有助于形成穩定的納米通道結構，并維持較高的界面電場強度。研究還發現，水滴體積、水溫以及環境濕度等因素均會影響器件輸出，其中適量水滴能夠促進水分在納米通道中的滲透，從而形成更穩定的流動電流。

值得注意的是，當器件面積增加時，輸出電流呈現近似線性增長趨勢，這表明LSCG器件具有良好的規模化擴展潛力。同時，在多次循環測試以及長期環境放置條件下，器件仍能保持穩定輸出，展示出良好的可靠性和耐久性。

圖4 LSCG陣列及應用演示。(A) 基于LSCG陣列的智慧農業環境監測系統示意圖；(B) 串聯與并聯連接下的輸出電壓與電流；(C) 單個器件對不同電容的充電能力；(D) 多個器件串聯充電曲線；(E) LSCG陣列驅動計算器、LED燈、溫濕度計和手機等電子設備；(F) LSCG陣列為植物環境監測傳感器供電。

在完成單個器件性能優化后，研究團隊進一步通過串聯和并聯方式構建LSCG發電陣列，以提高整體輸出能力。實驗結果表明，通過串聯連接可以顯著提升輸出電壓，而并聯連接則能夠增加輸出電流，從而滿足不同電子設備的供能需求。

基于該陣列系統，研究人員成功實現了對計算器、LED燈、溫濕度計等低功耗電子設備的直接供電，并進一步演示了為手機充電的能力。這表明LSCG不僅具備良好的能量收集能力，同時也具備良好的系統集成潛力。

在應用方面，研究團隊提出了一種自供能智慧農業監測系統。該系統利用灌溉過程中產生的水滴驅動LSCG陣列，為土壤溫濕度傳感器以及無線通信模塊提供電能，實現對作物生長環境的實時監測。與傳統依賴電池或太陽能的農業監測系統相比，該技術具有部署靈活、能源可持續以及維護成本低等優勢，為未來智慧農業與分布式物聯網系統提供了新的能源解決方案。

綜上所述，本研究提出了一種偶極效應增強的LSCG設計策略，通過構建高比表面積的Al2O3/UIO-66/PVDF復合材料并引入鐵電PVDF薄膜偶極場，實現了對界面電場和離子遷移行為的有效調控。該策略顯著提升了器件的輸出性能和穩定性，使LSCG在微量水滴驅動下即可產生毫安級電流輸出，并保持長時間穩定工作。同時，通過器件陣列集成進一步展示了LSCG在智慧農業環境監測系統中的應用潛力，實現了對土壤溫濕度、電導率及氣體濃度等環境參數的實時監測。本研究為低品位水能的高效利用提供了新的設計思路，也為分布式能源與物聯網系統中的自供能技術發展提供了重要參考。

論文信息

Dipole effect enhanced liquid stream-current generator

Endian Cui, Pengfan Wu, Fayang Wang*, Shiwei Xu, Danni Yang, Jiaqian Yang, Wangyang Zhang, Chenxi Zhao, Yi Yang, Yifan Bu, Man He, Xiaojing Mu*, Zhong Lin Wang*

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102632

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