作为地球上最大的能量载体，水蒸发过程捕获了地表近一半的太阳辐射能量，若能将其高效转化为电能则对于人类社会的可持续发展具备极其重大意义。虽然目前已经开发出了许多将蒸发能转化为电能的水伏发电技术，但这些技术在很大程度上依赖于离子在纳米材料附近运动产生的较低的流动电势（streaming potential），离子-材料相互作用的有限空间和对水体的利用不足导致该过程能量转换效率通常较低。

  基于此，来自香港理工大学的王钻开教授团队近日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一篇题为“Drinking Bird-enabled Triboelectric Hydrovoltaic Generator”的论文。本文提出了一种利用水蒸发潜热和摩擦电效应收集蒸发能的新方法。该装置结合了一个“饮水鸟”发动机和一个摩擦电纳米发电机，首先将蒸发的潜热转化为低频运动，然后将机械能转化为电能。这种饮水鸟摩擦水伏发电机（DB-THG），通过自然环境中的水分蒸发可产生超过100 V的电压。这项研究为蒸发能驱动小型电子设备供电提供了一种实用方法。

  早在公元前400年左右，人类就能够将水转化为有用的机械能。19世纪后期，人们利用流动的水通过电磁发电机发电。除了传统的流水利用外，蒸发能的利用正逐渐引起科学家的兴趣，并有望成为一种新的绿色能源。未解决目前蒸发发电技术能量转换效率低，功能材料与水接触易失效的问题，作者提出利用饮水鸟装置持续收集蒸发能量并以摆动运动的形式将其转化为低频动能，以消除水和功能材料之间的直接接触。此外，为了更好的提高低频摆动产生能量的转换效率，作者设计了一个带有图案化软聚丙烯（PP）棉的摩擦纳米发电机（TENG），大幅度减少了摩擦材料之间的摩擦损耗，使蒸发产生的小机械能能够持续收集能量。

  该饮水鸟摩擦水伏发电机（DB-THG）的结构和输出图如图1所示。能够准确的看出，DB-THG在24℃、20%±5%相对湿度（RH）环境下连续运行50小时的时间里，从大约100毫升的水中产生的最大电能约为0.65 J，这比使用相同水量的最先进的液滴发电机高出约180倍。

  作者首先对饮鸟发动机的运动产生过程进行了研究：微小温差在饮鸟发动机体内产生压力梯度，是其运动的驱动力。现有的饮水鸟电磁发电技术由于频率低、动力学运动弱，导致其输出功率较低。为了有效捕获低频和小尺度动能，DB-THG采用了先进的TENG技术并进行了改进。利用图案PP棉作为摩擦材料，该设备可在间歇的软接触模式下运行，并将小动能有效地转化为电能。有必要注意一下的是，大部分电能是在无摩擦的摆动阶段产生的，摩擦损失为零，大幅度的提升了能量转换效率。图2展示了TENG模块的发电过程机理以及DB-THG产生的电压、电流和电荷随时间的变化图。

  作者进一步对DB-THG的性能进行了研究，包括温湿度的影响。研究结果（图3）表明，随着环境湿度的增加，电力输出会减少。另一方面，DB-THG的电输出随气温变化呈现波动，在25℃时达到最大值。高温引起的表面电荷减少和接触频率增加引起的电荷增加之间的相互作用或是造成此现状的原因，但具体的潜在的机制仍有待进一步研究。

  令人兴奋的是，DB-THG所输出的最大电压、电流以及电荷分别达到107 V、0.24 μA和40 nC（24°C，~28% RH）。这些数值远超于了之前报道的水蒸发发电数值，如图4所示。此外，DB-THG 接近40 μW的最大峰值功率值是以往基于电磁技术的饮水鸟发电机报道功率值的13倍。这种出色的高输出能力使其能够在任何环境中利用水蒸发的自然能量有效地为小型电子设备供电，包括20个尺寸为26 × 31 mm的液晶显示器（LCDs）、湿度传感器以及计算器。此外，该设备还可以在几分钟内将商用电容器充电到10 V以上，或者在100分钟内将1000 μF的较大电容充电至1.5 V。

  综上，本文提出了一种利用水蒸发潜热和摩擦电效应的高效发电策略。为此，本文设计了一种结合了饮水鸟发动机和具有低摩擦损失的TENG的水伏发电发电机（DB-THG）。饮水鸟发动机可持续地收集水蒸发能量，并将其转化为低频机械运动。以图案聚丙烯棉作为摩擦材料的TENG随后以最小的摩擦损耗将机械能转化为电能。以自然蒸发的水为燃料，在环境条件下可以产生100 V以上的电压和40 μW左右的功率，可以直接为20个LCDs供电。此外，小型电子设备，如湿度传感器和计算器，也能够最终靠包含电容的简单电路由DB-THG供电。相信在未来，DB-THG可当作一种高效的蒸发能量收集方法，在室内和室外的以水为“燃料”的电子科技类产品中发挥更广泛的应用价值。

  Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者王钻开教授进行了专访，请他为大家做进一步的深入解读。

  蒸发过程是地球上最重要的能量转移之一，近半数地球表面吸收的太阳能均会用来驱动水蒸发。合理规划利用蒸发能，对于实现可持续发展目标，缓解能源危机具备极其重大意义。那么首先请您为我们简要介绍目前主要的蒸发能利用技术，以及这些技术所面临的挑战。

  我们主要面向的是常温环境条件下的自然蒸发能量收集，目前主流的技术有两类。一类是利用水蒸发和碳纳米材料的相互作用的水伏技术，其基础原理是水在压力差作用下通过纳米材料内部狭小的腔道或缝隙流动产生流动电势(streaming potential)，进而产生电输出。另外一类是利用湿气驱动的可变形材料，将水蒸发的能量先转换为机械能，再进一步通过电磁发电技术将其转换为电能。这两类方法所面临的一个共同问题是功能材料直接与水接触，长时间运行会造成材料功能退化，影响器件可靠性。另外，两类技术的输出的电压都相比来说较低，一种原因是由于水伏技术的流动电势比较低；另一方面是电磁发电技术对低频运动能量收集效率低。

  研究团队提出的这种“饮水鸟”发电机的优势有哪些？未来有可能是在哪些领域实现广泛的应用前景？

  优势体现在两方面：一方面，我们的饮水鸟水伏发电机的电压输出很高，能够达到100 V以上，这主要是归功于我们利用了适用于低频能量收集的摩擦纳米发电机技术。另一方面，我们的器件的功能材料是不非间接接触水的，不会存在潮湿环境下器件性能衰减问题，更加有助于器件可靠性提高。

  从“饮水鸟”到发电机，在想法诞生到实践落地的过程中一定存在着许多困难。在研发过程中您和团队遇到的最严重的问题是什么？后来又是怎么样才能解决的呢？

  我们的技术通过两步走的方法收集蒸发能。先利用“饮水鸟”将蒸发能转换为低频运动，再通过摩擦纳米发电机将低频运动能量转换为电能。最大的问题是蒸发能收集难度大，通过“饮水鸟”转化出的机械能比较小，而摩擦纳米发电机存在比较大摩擦损耗，传统的摩擦纳米发电机技术的摩擦损耗会阻碍“饮水鸟”的运动。未解决这个问题，我们设计了一种带有图案化纤维摩擦材料的新型摩擦纳米发电机，在“饮水鸟”运动的大多时候，两摩擦材料不接触，摩擦损耗为零，利用这种无接触的方式来进行发电。只有在“饮水鸟”低头饮水的阶段，摩擦材料才接触，而用纤细的纤维作为摩擦材料能够大大减少摩擦损耗，不可能影响“饮水鸟”的运动，在这一“饮水”过程中实现摩擦起电和材料表面电荷的构建。这样的间接式轻接触的方式最大化降低了摩擦损耗，且能保持摩擦材料表面持续带电，可以将“饮水鸟“的微小机械能转换为电能。

  您对蒸发能利用技术未来的研究发展趋势有何展望呢？请您介绍一下团队的下一步研究计划以及预计达成的目标？

  首先，我们计划逐步优化饮水鸟的结构和材料体系，使其能量转换效率逐步提升。而后，我们期望寻找一些应用途径，用饮水鸟发电机驱动一些小型电子器件，并希望有机会能够进行成果转化，使我们的技术能服务于人们生活。

  Device期刊一个高水平期刊，是Cell，Chem，Joule和Matter的姊妹刊。Device期刊发表的内容主要涵盖物理、生物、化学、材料、信息科学和工程学等领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术探讨研究成果。其目标是促进科研领域的创新整合与交叉融通，以激发科研群体的创新性，从而研发出具有现实意义且可提升我们正常的生活质量的新设备和新器件。我们的工作非常符合Device期刊的内容范围和定位。为了最大化我们工作的影响力，我们最终选择了Device进行了投稿。