石墨烯+水=发电？！

本文转自： 环球新碳

我国目前的发电形式主要有以下几种：

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火力发电，主要利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能。一方面化石燃料蕴藏量有限，越烧越少，正面临着枯竭的危险。另一方面燃烧燃料将排出二氧化碳和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。

2 水力发电，主要利用水的重力势能转变成动能，推动叶轮旋转发电。水力发电对水量的过大需求会破坏河流的生态系统，还要淹没大量土地。

3 风力发电，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。主要缺点是有噪声和视觉污染，且占用大片土地。

4 核能发电，利用核能将反应堆中的水加热产生蒸汽，在蒸汽的推动下，汽轮机带动发电机转动产生电能。核能电厂会产生高低阶放射性废料，如果在事故中释放到外界环境会对生态及民众造成伤害。

5 太阳能发电，直接将日光转换为电流（也称光伏发电），其基本原理就是“光伏效应”。太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。

一直以来科学家都在研究如何用新的方法驾驭水电能。过去十年中，一系列的理论和实验研究证明，水或者其他极性液体通过一维结构（如碳纳米管）时，可以在液体流动方向上产生一定的净势能差和相应的电流。很多机理都曾经被用来解释这种现象，比如声子拖曳（在碳纳米管中从流动的液体中将动量转移到声频声子上，这种动量反过来又在纳米管中拖拽自由电子载体），表面离子跳跃，流体中自由电荷载体在波动的离子库伦力场的正向散射，波动不对称电势和流动电势模型等。对碳纳米管的实验研究表明，由水流产生的感应电压小于10mV。虽然几毫伏级的信号对于微型流量传感器应用来说已经足够了；但是，若要从流体流动的环境中收集大量的能量的话，这些还是远远不够的。

尽管技术上的进步使得太阳能电池的效率大大提高，价格也逐渐降低，但下雨时太阳能电池无法发电仍是不争的事实。现在，这一缺点可被神奇的石墨烯材料克服！石墨烯中富含可以在二维平面上自由移动的电子，因此具有优异的导电性能。在溶液中，石墨烯中的电子容易和带正电荷的离子相结合。基于石墨烯的处理工艺常利用这一属性去除溶液中的铅离子和有机染料。

受上述现象的启发，青岛海洋大学的研究人员在太阳能电池上镀上石墨烯薄膜，发现它在模拟雨水的环境下能产生数百微伏的电力。这是因为雨水并不是纯净水，其中的盐分能分离出正电荷、负电荷离子。正电荷离子，包括钠离子、钙离子和铝离子等，吸附在石墨烯的表面。在雨水和石墨烯之间的接触点，水中富含的正离子和石墨烯富含的电子形成具有赝电容特性的双层，能像电容器那样储存能量。两端电位的差异足以产生数百微伏的电压和电流。科学家指出未来的太阳能电池有望在任何天气条件下全天候工作。这一研究结果发表在著名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。

图1：可以全天候工作的太阳能电池

国际权威学术期刊《自然》杂志曾以亮点工作形式，报道了北京理工大学的曲良体教授团队在石墨烯方向的研究成果，题目为“Power from Water and Graphene”。该工作的主要亮点是使水通过含有氧化石墨烯薄片的材料，就可以实现用水来产生电，成功点亮LED灯泡。图2：“自然”杂志报道的研究亮点 该研究团队的成果发表在《能源和和环境科学》杂志上。文中展示了开发的由氧化石墨烯制备的三维结构，这个结构具有足够大的孔洞，可允许水分子自由通过。当水从这种材料的顶部流淌到底部的时候，水分子将和氧化石墨烯中的含氧基团发生反应，分离形成氢离子；剩下的氧基团则非均一地分布在材料中，这将产生足够多的离子，从而生成电能。

图3：水通过含有氧化石墨烯薄片的材料产生电能示意图

据估算，这种能量转化方式的效率高达62%，并且该电能能够点亮LED灯泡。

图4：该材料由两片多孔铝电极夹在中间，这样的结构可使得水分子通过，由此产生的电力可以点亮LED灯泡。

石墨烯将水转化为可直接利用的电能，此技术属于能量转化方面的重大突破，开启了一种全新的潜在能量源，在新能源领域具有可观的前景。虽然目前这种材料还只是微观尺度大小，未来电动车可能也会使用水加石墨烯来发电。Who Knows? With amazing graphene, everything is possible!参考文献1. A solar cell that Is triggered by sun and rain. Angewandte Chemie International Edition, 2016; DOI: 10.1002/anie.2016021142. The era of water-enabled electricity generation from graphene. J. Mater. Chem. A, 2016； DOI: 10.1039/C6TA03107B

3. Highly efficient moisture-enabled electricity generation from graphene oxide frameworks. Energy Environ. Sci., 2016；DOI: 10.1039/C5EE03701H

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