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  隨著科技的迅速發(fā)展，能源緊缺的問題越來越嚴重。近年來，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化為電能的可能性。但很多納米發(fā)電機還需要外部壓力來保持功率輸出，容易受環(huán)境影響，這在實際應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為是解決而日益嚴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構單一，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。如何將器件的結構和組成通過簡單的方式結合起來產(chǎn)生能夠實際應用的功率，仍然是一個巨大的挑戰(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部的毛細結構，驅使水分從根部通過滲透作用流向枝葉。受此啟發(fā)研究團隊制備了一種CNT/MXene蒸騰驅動電動發(fā)電機（CMTEPG）復合棉織物。首先使用經(jīng)典的堿洗方法對棉織物進行清洗、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）。在毛細芯吸作用和水蒸發(fā)的驅動下，當水分子流經(jīng)高吸水性CMTEPG上的納米通道時，就會產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出功率。此外，得益于CNT良好的機械性能，該發(fā)電機表現(xiàn)出優(yōu)異的機械穩(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（d）實際輸出功率。

  在實驗過程中團隊分析了CMPTEPG的體積電阻對其能量產(chǎn)生的影響(圖2a和圖2b)，結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(圖2c)。由于這里電流決定發(fā)電性能，通過對比不同體積電阻下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）實際輸出電流（d）實際輸出功率。

  研究團隊還對CMTEPG進行了不同鹽溶液條件下的發(fā)電性能測試（濃度均為1M）。水合陽離子半徑的增大順序為Li⁺ > Na⁺ > K⁺，對于堿(一價)元素的氯鹽，陽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，顯然液體的性質影響了發(fā)電性能（圖3b）。如圖3c所示，實際輸出電流隨NaCl濃度的增加而逐漸增加，實際輸出電流在NaCl溶液為3 M時達到最大值329μA，對應的實際輸出功率為46.63μW（圖3d）。這和目前大部分關于納米水力發(fā)電機的報告中的功率輸出相比都要好。

圖4 模擬海水浸泡（a）10個串聯(lián)的CMTEPG器件點亮紅色LED（額定輸入電壓2.0V，額定輸入電流20mA），（b）20個串聯(lián)的CMTEPG器件啟動藍色LED顯示。

  由于CMPTEPG的制備過程簡單，并且在在均勻的水溶液環(huán)境中的可持續(xù)發(fā)電性能，當串聯(lián)或并聯(lián)連接時，納米發(fā)電機可以很容易地擴大規(guī)模。將10個CMPTEPG (尺寸為3cm×10cm)串聯(lián)在一起，開路電壓可達到~3 V，如圖4a所示。而且通過這樣簡單的串聯(lián)設計，CMPTEPG可以為常見的電子設備進行供電，他們將十個CMPTEPG進行串聯(lián)時可以產(chǎn)生足夠的功率來照亮一個紅色LED（2.0V，20mA）燈。除此之外，使用20個單位CMPTEPG串聯(lián)而成的“電池”，通過模擬海水（3.5 wt% NaCl溶液）的水力驅動產(chǎn)生的能量可以很輕松的將LED顯示屏（3.3V）點亮（圖4b）。

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