能源的收集一直是科学研究的热门领域。风能、太阳的收集能受限于复杂的环境条件，流动电势的产生则需要施加梯度压力、温度梯度或化学浓度梯度。水蒸发是一种常见的自然现象，利用水蒸发发电，无需能量输入，即可将环境中的热能转化为电能。
5月27日，在首届丝绸之路二维材料科学与技术国际会议学术报告会上，中国科学院院士、南京航空航天大学教授郭万林在他的《水伏效应和二维材料》报告中，披露碳材料研究的最新发现：在大气环境中，水从廉价的碳黑薄膜表面自然蒸发，会直接引起碳黑薄膜中持续稳定的伏级的电势；几平方厘米大的碳黑微米薄膜上的水，在室温环境下的自然蒸发，可以直接驱动液晶显示器等商用电子器件！
郭万林向媒体表示，在纳米结构的碳材料表面进行水蒸发，能够产生电压！在常温条件下，借助碳黑片层材料，水蒸发可产生1伏特的可持续电压！
图源：南京航空航天大学官网
在纳米结构的碳材料表面
水蒸发能产生可持续电压
郭万林：“你把石墨烯放在手机的屏幕上，水滴在上面一滚，就能生电！水滴滚得越快，发的电就越大，它（石墨烯）能够感知水滚动的速度。你拿个毛笔在上面写字，它知道横撇竖捺。这还不惊奇，你给玻璃上放一层碳材料，把手机的一头插在水里，水就慢慢地渗上来了，渗上来后它会蒸发，也能发电。在水蒸发的过程中，水蒸气吸收了周围环境中的热能。”
研究发现，在纳米碳材料表面，水的自然蒸发能够产生电能。借助廉价的碳黑片层材料，利用水蒸发在常温条件下可以产生1伏特的可持续电压。“我们实验发现，2平方厘米这么一个微米级的薄膜上，会发1伏的电。只要水不干蒸发产生着，就能一直持续着发电。我们可以把这个电进行叠加，发几伏、10伏，都没有问题。”郭万林说。
据了解，这是郭万林教授与华中科技大学周军教授课题组合作的这一研究成果，已于2017年发表在国际顶级刊物《自然·纳米技术》上，已获得发明专利。
图源：南京航空航天大学官网
制备方法演示视频
蒸发诱导生电器件的组装
他们在石英片上制备厘米尺寸的炭黑膜，进行亲水处理后，半浸入盛水烧杯中，常温常压条件下水自然蒸发，炭黑膜的两端就产生约1V的电压并能长时间地保持。研究中，将4个水蒸发发电装置串联起来，竟点亮了液晶显示屏！
实验表明，在各种同样处理过的碳黑材料和碳纳米管薄膜中，都存在这种水蒸发生电现象，在乙醇碳黑薄膜中，蒸发引起的电压高达2伏。他们将4片碳黑薄膜器件串联产生近5伏的电压，并联产生近0.4微安的电流，能驱动商用液晶显示器器件，给电容器充电。
以下实验装置示意图供专业人士参考解读——
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V1-2电极完全浸没水中，没有蒸发作用从而没有电压信号产生。V2–3, V3–4, V4–5, V5–6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，V6–7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）。
据介绍，该团队还设计制备了一组多电极碳黑器件，揭示了蒸发以及蒸发引起的水在碳黑薄膜中的流动是导致电压的根源。系统的原理计算表明，含功能团碳黑石墨烯片更亲水，并因水的吸附、离开产生显著的电子密度变化，敏感程度是完美石墨烯片层的上千倍。
郭万林：“但是目前发电的电流太小，如果把电流突破了，让电流大起来，就能给手机、电脑充电，投影屏幕，等等。可以畅想，到那时，我们来开会不用带矿泉水了，来时在外面的湖里舀杯水，再放这么一个片子，让它蒸发产生电，蒸发的蒸馏水我们可以喝，比这个矿泉水还要干净。再有，蒸发把热带走了，这里就凉快了，不用开空调了......”
郭万林表示，所用的碳黑材料价格低廉，在实际应用中有独特的优势。随着工艺的改善和低耗电器件系统技术的发展，尤其是面对全球变暖、纯净水的缺乏，这种依靠纯自然蒸发过程生电的发现，具有更显著的现实意义。
郭万林：“能源是不生不灭的，它只能转化，只能把周围的能源变成有用的能源，把存在那里的能源消耗掉，或者把周围没用的能源直接进行转化。”
我们通常所说的二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动的平面的材料，不同于一般的纳米材料、三维材料、一维材料。
他说，“石墨烯是一种特别的纳米材料，非常小，你看不见也摸不着。薄的纳米尺度叫纳米薄膜，细的纳米尺度，如头发丝，你能看见，但看不见百万分之一的头发丝。还有，一个纳米的球，没有一个方向你能看得见，微米时代没有一个维度（零维度）。那么，一个丝如果有一个维度，还在微米的尺度甚至是宏观的尺度，就叫‘一维材料’。石墨烯薄到纳米尺度，我叫“纳米薄膜”，再薄就薄到了极限——一个原子层。”
据郭万林介绍，2004年石墨烯被发现有特异性质，电子在里面跑的速度比硅跑的速度要高千倍、万倍，因此，这么多年，全世界一直投入很大的力量在研究它，“全世界投入研究力量最充分的材料，莫过于石墨烯！许多科学家都在探索和研究：它有什么颠覆性的应用？能不能带来一个比芯片还好的应用？国家领导人和科学界都在期盼着它的颠覆性应用。”
图源：南京航空航天大学官网
郭万林介绍，从上世纪初量子力学酝酿，到上世纪中期硅材料、半导体的兴起，到今天的芯片，已经到了最后的高音阶段。硅的时代仅仅是一个开始。最初，4平方毫米见方的芯片上，做六七个器件，现在可做的数量每18个月翻一番，每两年差不多就是一代。硅材料发展到现在已经成年了，但硅的时代以后、下一代是什么？
“碳材料是硅材料之后科学家探索最多、研究最多、最深透的一种材料，但是不是说‘二维科技可以颠覆我们的生活？’我们希望如此，但是我们现在大量的二维材料的应用，还都是把硅和过去普通材料干过的事再干一下，看能不能比它们干得好，到现在为止，好像还很难取代。”他认为，它（碳）应当找它的时代，就像硅没有代替钢铁一样，“也就是说，炭、二维材料、新的材料，应当发展它下一代的用途，而不是再去干硅的活儿。这样的话，二维材料的时代才真正地到来了。”
来源：能源圈