研究背景

　　对化石燃料的持续依赖导致人类面临能源和环境危机，从清洁和可再生能源中收集电能的新型能源转换技术被认为是一种有前途的解决方案。近年来，将水和固体之间无处不在的相互作用转化为绿色电力的水蒸发感应发电机（WEIG）引起了科研工作者的兴趣。WEIG是通过毛细管作用和无处不在的水蒸发的连续过程来驱动溶液通过固体的带电微通道，从而产生流动电压。因此，电信号可以长时间稳定地保持，受环境波动的影响较小，在不断发展中的清洁能源收集领域显示出巨大的实际应用潜力。

　　但是，自2017年WEIG第一次被报道以来，大多数关于碳基WEIGs的研究都是围绕着无定形碳黑、石墨烯和碳纳米管开展的。这些材料存在着产率低、成本高、制备条件严苛和不可再生等问题。木质生物碳（WBC）是绿色植物的热解副产品，是一种具有成本效益、可降解且环保的生物材料。WBC在资源储量、产量、成本和环境保护方面比无定形碳黑和常规石油基碳化合物具有显著的优势。此外，WBC表面的亲水官能团和负电荷也显示出从清洁能源中收集电力的潜力。在这样的背景下，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室科研骨干、轻工科学与工程学院陈广学教授和田君飞教授课题组提出了一种基于WBC的WEIG。这种方法用途广泛，适用于多种木质纤维素原料（LCF）及其主要成分。本研究为WBC的高值化利用提供了新的思路，也为WBC在绿色能源发电领域的应用奠定了研究基础。

图文详解

　　纤维素、半纤维素和木质素是LCF的主要组分，这三种组分的热解在很大程度上代表了LCF的热解过程（图1）。研究这些组分的热解行为对于WBC在WEIG领域的应用至关重要，因此，我们深入研究了这三种组分的热解过程中表面结构、官能团、结晶度和主要元素含量的变化（图2）。在碳化过程中，LCF会发生脱羧、脱水、解聚和异构化等几个平行和连续的反应，O、H和其他元素大部分被释放。结果显示，WBC的表面存在-C=O、-C-O和-O-C=O等亲水性含氧官能团，有利于其在WEIG领域的应用。

图1 WBC合成过程示意图

图2 WBC的基本表征

　　WBC是以LCF为原料在氮气流下使用管式炉制备的（图3a），后与乙基纤维素（EC）、松节透油醇和乙醇混合以产生均匀的浆料。在石英板上对浆料进行流延成型后，通过退火工艺后获得WEIGs。在这项工作中使用了惰性金属——铂作为电极，以避免活性电极（Cu，Zn，Fe等）和液体接触时的电化学腐蚀所带来额外的电信号。在之前的许多工作中，所开发的WEIGs需要进行氧气等离子体或紫外线/臭氧等亲水预处理才可以完成WEIG过程。令人兴奋的是，基于WBC的WEIGs不需要任何亲水处理即可产生电信号（图3e）。这是由于在以前的研究中，原始碳膜的表面亲水性不足以满足单向水流的需求，因此退火处理后仍需要改性或亲水才能完成发电。WBC基WEIGs能自发完成这一过程应归因于WBC表面的含氧官能团及其吸水行为（图2j-l和图4e）。

图3 WEIG的制备过程及发电机理

图4 WEIG的基本表征

　　我们首次深入研究了LCF的三种不同成分中提取的WBC对发电的影响，并发现了木质素和富含木质素的LCF更适合应用于WEIG领域（图3f）。这归因于木质素碳表面的高O/C比，不仅确保了碳纳米颗粒与水之间的相互作用，还促进了液体在毛细管结构中的流动，导致蒸发驱动的流动潜力增加。此外，WBC的O/C比与碳氧官能团有关，它改善了移动电子的产生并增强了电输出性能。我们的工作中还研究了碳化温度、粒径、风速和温度对WEIGs电性能的影响。结果表明，增加风速和降低风速对WEIGs的电压有着明显的影响；在保持湿度不变时，温度的升高导致电压的持续增加；当热源关闭时，电压回落（图5e-f）。这是因为温度的升高使器件的蒸发速率升高，因此蒸发感应电压增加。湿度、风速和温度的影响与以前的报道中由水蒸发引起的发电机的规律一致。我们还研究了当湿度不保持恒定时温度对电压的影响，发现随着温度从30 °C增加到70 °C，电压几乎没有变化。这证明了我们的设备对温度变化具有良好的自我调节能力及其在温度变化剧烈的环境中的应用潜力。

图5 影响WEIG电性能的因素

　　在水分的刺激下，单个WEIG器件的开路电压（Voc）可以达到0.42 V，相应的短电流（ISC）为 528 nA。当需要更高功率时，可以通过串联和并联设备来提高输出性能。例如，串联的 4 台 FClig-800 可以产生 1.6 V 的 Voc（图 6d）。通过并联WEIG（4个单元），Isc值可以从约500 nA呈指数级增加到2000 nA（图6e）。通过串联连接20个WEIGs单元可以产生7.3 V的电压，如图6c和f所示。产生的电力可以被存储在电容器中，作为临时电池或可充电储能系统可以驱动小型商业电子设备（计算器）。

图6 WEIG在应用中的实际表现

研究总结

　　我们展示了一种简单有效的方法来制造基于WBC的WEIG。由于丰富的亲水官能团和微/纳米孔，在没有任何亲水处理的情况下，基于WBC的WEIGs可以使用水产生电输出。这种方法制造的基于WBC的WEIGs可以随着数量的增加成比例地扩大。此外，电力可以收集并用于驱动计算器，展示了其在实际应用中的潜力。我们首次系统地研究了源自LCF的三种主要成分的WBC对WEIG的影响。我们发现富含木质素的LCF更适合应用于WEIG。这项工作对在WEIG领域使用LCF具有重要意义，可以为解决能源危机提供新颖且可持续的解决方案。

　　相关成果以“A green and sustainable water evaporation-induced electricity generator with woody biochar”为题发表在《Nano Energy》上。华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室、轻工科学与工程学院博士生李鑫为第一作者，张坤博士为共同一作，通讯作者为华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室科研骨干、轻工科学与工程学院陈广学教授和田君飞教授。

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108491