随着科技的迅速发展，能源紧缺的问题越来越严重。近年来，从大自然环境中收集能源已经被广泛探索，例如压电、热电、光电和纳米水力发电等方式成功的证明了可以将其他形式能转化为电能的可能性。但很多纳米发电机还需要外部压力来保持功率输出，容易受环境影响，这在实际应用中可能存在一些困难。而从丰富的水资源中获取电能已被公认为是解决而日益严重的能源短缺问题的有效方法。但目前的大多研究由于材料结构单一，现有的大多数纳米发电器件的发电性能并不理想。如何将器件的结构和组成通过简单的方式结合起来产生能够实际应用的功率，仍然是一个巨大的挑战。

图1 (a) Ti₃C₂T_x MXene纳米片的制备流程，(b) CMTEPG的制备流程，插图为制备的CMTEPG样品与银杏树皮

  在蒸腾作用下自然界的银杏树是通过表皮木质部的毛细结构，驱使水分从根部通过渗透作用流向枝叶。受此启发研究团队制备了一种CNT/MXene蒸腾驱动电动发电机（CMTEPG）复合棉织物。首先使用经典的碱洗方法对棉织物进行清洗、烘干备用，将棉织物浸泡在CNT-OH/MXene溶液中，然后在真空条件下烘干制成CMTEPG样品（如图1所示）。在毛细芯吸作用和水蒸发的驱动下，当水分子流经高吸水性CMTEPG上的纳米通道时，就会产生稳定的输出功率。此外，得益于CNT良好的机械性能，该发电机表现出优异的机械稳定性和柔韧性。

图2（a）、（b）在5mlNaCl(3.5 wt%)溶液中不同体积电阻CMTEPG的开路电压和短路电流的变化；CMTEPG在不同体积电阻下的（c）最大开路电压和短路电流趋势（d）实际输出功率。

  在实验过程中团队分析了CMPTEPG的体积电阻对其能量产生的影响(图2a和图2b)，结果显示开路电压值随着电阻的增大而增大，在0.5kΩ之后逐渐呈饱和现象，而电流呈现下降的趋势(图2c)。由于这里电流决定发电性能，通过对比不同体积电阻下CMPTEPG的输出功率，在低电阻状态下求得最大的输出功率(图2d)。

图3 CMTEPG在（a）不同种盐溶液的开路电压和短路电流（浓度均为1M），（b）不同pH值的盐酸溶液中的开路电压，在不同浓度NaCl溶液中的（c）实际输出电流（d）实际输出功率。

  研究团队还对CMTEPG进行了不同盐溶液条件下的发电性能测试（浓度均为1M）。水合阳离子半径的增大顺序为Li⁺ > Na⁺ > K⁺，对于碱(一价)元素的氯盐，阳离子半径较小的氯盐产生更高的电压和电流，这也与典型阐明的涉及双层的能量产生机制一致（图3a）。他们发现V_OC和输出功率随着pH的降低而增加，显然液体的性质影响了发电性能（图3b）。如图3c所示，实际输出电流随NaCl浓度的增加而逐渐增加，实际输出电流在NaCl溶液为3 M时达到最大值329μA，对应的实际输出功率为46.63μW（图3d）。这和目前大部分关于纳米水力发电机的报告中的功率输出相比都要好。

图4 模拟海水浸泡（a）10个串联的CMTEPG器件点亮红色LED（额定输入电压2.0V，额定输入电流20mA），（b）20个串联的CMTEPG器件启动蓝色LED显示。

  由于CMPTEPG的制备过程简单，并且在在均匀的水溶液环境中的可持续发电性能，当串联或并联连接时，纳米发电机可以很容易地扩大规模。将10个CMPTEPG (尺寸为3cm×10cm)串联在一起，开路电压可达到~3 V，如图4a所示。而且通过这样简单的串联设计，CMPTEPG可以为常见的电子设备进行供电，他们将十个CMPTEPG进行串联时可以产生足够的功率来照亮一个红色LED（2.0V，20mA）灯。除此之外，使用20个单位CMPTEPG串联而成的“电池”，通过模拟海水（3.5 wt% NaCl溶液）的水力驱动产生的能量可以很轻松的将LED显示屏（3.3V）点亮（图4b）。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142582