EPFL 的研究人員發現，利用水伏效應的奈米級設備可以從離子濃度高於純淨水的液體蒸發中獲取電能，這揭示了尚未開發的巨大能源潛力。蒸發是一個無所不在的自然過程，以至於我們大多數人都認為這是理所當然的。事實上，到達地球的太陽能大約有一半是由蒸發過程驅動的。

自2017 年以來，研究人員一直致力於透過水伏效應（HV）來利用蒸發的能量潛力，當流體通過奈米級設備的帶電錶面時，就能獲得電能。蒸發可在這些元件內部的奈米通道內形成持續流動，從而起到被動泵送機制的作用。在植物的微毛細管中也能看到這種效果，由於毛細管壓力和自然蒸發的共同作用，植物的水分得以輸送。

雖然目前存在水伏特設備，但人們對奈米級水伏特能源生產的條件和物理現象知之甚少。工程學院奈米能源技術實驗室（LNET）主任Giulia Tagliabue 和博士生Tarique Anwar 希望填補這一資訊空白。他們利用實驗和多物理場建模相結合的方法來描述流體流動、離子流動以及固液相互作用產生的靜電效應，目的是優化高壓設備。

矽奈米柱的掃描電子顯微鏡影像。圖片來源：© Tarique Anwar, LNET EPFL, CC BY SA

“得益於我們新穎、高度可控的平台，這是第一個透過強調各種界面相互作用的重要性來量化這些水伏特現象的研究。但在這一過程中，我們也發現了一個重大發現：水伏打裝置可以在很寬的鹽度範圍內運行，這與先前認為需要高度純淨的水才能獲得最佳性能的認識相矛盾，」Tagliabue 說。

LNET 研究最近發表在細胞出版社的《設備》雜誌上。

揭示多物理場模型

研究人員的裝置首次應用了一種名為奈米球膠體光刻技術的水蒸氣技術，使他們能夠創建一個由精確間隔的矽奈米柱組成的六邊形網路。奈米柱之間的空間為流體樣品的蒸發創造了完美的通道，可以進行微調，以便更好地了解流體封閉和固/液接觸面積的影響。

“在大多數含有生理食鹽水的流體系統中，正離子和負離子的數量相等。然而，當你把液體限制在奈米通道中時，只有極性與表面電荷相反的離子才會保留下來，”Anwar 解釋說。”這意味著，如果讓液體流經奈米通道，就會產生電流和電壓。”

Tagliabue補充說：「這又回到了我們的主要發現，即利用奈米裝置表面電荷的化學平衡，可以在鹽度範圍內擴展水伏特裝置的工作範圍。事實上，隨著流體離子濃度的增加，奈米裝置的表面電荷也會增加。因此，我們可以使用更大的流體通道，同時處理更高濃度的流體。這樣就能更容易地製造出使用自來水或海水的裝置，而不是僅使用純淨水。”

水，無處不在的水

由於蒸發可以在很寬的溫度和濕度範圍內（甚至在夜間）持續進行，因此更有效率的高壓設備有許多令人興奮的潛在應用。研究人員希望在瑞士國家科學基金會啟動基金的支持下探索這一潛力，該基金旨在開發”一種全新的廢熱回收模式和大小規模的可再生能源發電”，包括在日內瓦湖的實際條件下開發一個原型模組。

從理論上講，高壓設備可以在任何有液體（甚至是水分，如汗液）的地方運行，因此它們還可以為從智慧電視到健康和健身穿戴式裝置等連網裝置的感測器供電。憑藉LNET 在光能擷取和儲存系統方面的專業知識，Tagliabue 也熱衷於研究如何利用光和光熱效應來控制HV 系統中的表面電荷和蒸發率。

最後，研究人員也看到了高壓系統與清潔水發電之間的重要協同作用。

「自然蒸發被用來推動海水淡化過程，因為透過冷凝蒸發表面產生的水汽，可以從鹽水中獲取淡水。現在，你可以想像使用高壓系統同時生產清潔水和利用電力，」Anwar 解釋。

編譯自: ScitechDaily