摘要

液流电流发电机（LSCG）能够通过水流与固体界面的相互作用直接产生电能，在绿色能源收集与分布式物联网供能领域具有广阔应用前景。然而，传统LSCG普遍存在离子迁移效率低、离子浓度梯度衰减快等问题，严重限制了其输出性能和持续工作时间。近日，重庆大学牟笑静教授联合北京纳米能源与系统研究所王中林院士及重庆理工大学王发扬，提出了一种偶极效应增强的LSCG。研究通过构建Al2O3/UIO-66/PVDF复合材料并引入铁电PVDF薄膜偶极场，实现界面电场强化与离子迁移调控，使器件输出性能显著提升。实验结果表明，该器件在仅加入50 μL水滴的条件下即可产生0.8 V开路电压和1.5 mA峰值电流，最大功率密度达到 23.1 μW·cm-2，并可稳定工作超过7500秒。此外，研究团队构建了基于LSCG阵列的自供能智慧农业监测系统，实现对环境参数的实时监测。该研究为低品位水能的高效利用提供了新的思路，并推动了微型绿色能源技术的实用化进程。

文章简介

随着全球能源需求持续增长以及环境问题日益突出，开发绿色、可持续的能源获取技术已成为重要研究方向。液流发电技术能够利用水滴、水流等自然环境中的能量，通过水–固界面电动效应实现机械能到电能的转换，具有结构简单、环境适应性强以及可持续供能等优势。在LSCG中，离子的迁移速率以及离子浓度梯度的稳定性是决定输出性能的关键因素。然而，现有器件往往仅依赖浓度梯度驱动离子迁移，导致电流快速衰减，难以实现持续稳定输出。为解决这一问题，本研究提出一种“材料—界面—电场协同调控策略”。通过构建具有高比表面积和高zeta电位的Al2O3/UIO-66/PVDF复合活性材料，并在器件中引入铁电PVDF薄膜偶极场，显著增强器件内部电场，从而加速离子迁移并延长离子浓度梯度维持时间，实现高性能输出。

图1. 图1. LSCG器件结构与性能表征。(A) 偶极效应增强的LSCG器件结构及工作原理示意图；(B) 引入PVDF薄膜前后器件的表面Zeta电位变化；(C) LSCG在滴加50 μL水后的输出电压与电流曲线；(D) 器件在不同外部电阻下的输出功率密度；(E) 本研究器件性能与已报道低品位水能发电器件的性能对比。

研究人员首先设计了一种由顶部电极、铁电PVDF薄膜、复合活性层以及底部电极组成的LSCG结构。当水滴进入器件内部纳米通道后，水分子会在界面发生电离，形成H+和OH-离子。在器件内部电场的作用下，离子沿着特定方向迁移，从而在电极两端形成稳定的电势差并产生电流输出。

通过引入铁电PVDF薄膜所产生的偶极效应，器件界面的电荷密度显著提升，使材料表面的zeta电位明显增加。这种增强的界面电场能够有效提高离子迁移速率，并抑制离子反向扩散，从而大幅提升器件输出性能。实验结果显示，该器件的峰值电流达到1.5 mA，相较于传统设计实现了显著提升，同时表现出良好的稳定性和重复性。

图2 偶极效应增强LSCG输出性能的理论模型。 (A) 引入PVDF薄膜前后界面静电势分布；(B) 界面电荷密度变化；(C) 沿界面方向的电荷密度分布曲线；(D) 纳米通道中OH⁻离子浓度分布模拟；(E) 离子迁移与浓度梯度变化；(F) LSCG内部离子迁移与发电机理示意图。

为了深入理解偶极效应对器件性能提升的机制，研究团队结合密度泛函理论（DFT）计算与数值模拟对器件界面电场进行了系统分析。计算结果表明，铁电PVDF薄膜所产生的偶极场能够显著增强界面电势梯度，从而提高离子迁移驱动力。

同时，模拟结果显示，在偶极效应作用下，纳米通道内OH-离子的迁移速度明显提升，并在电极两端形成更稳定的离子浓度梯度。这种稳定的离子迁移过程能够持续驱动电子流动，从而实现稳定的电流输出。理论计算与实验结果相互验证，进一步证明了偶极效应在提升LSCG性能方面的重要作用。

图3 (A) 不同Al2O3/UIO-66摩尔比对输出性能的影响；(B) 活性材料与PVDF粘结剂质量比对输出性能的影响；(C) 不同PVDF薄膜厚度对器件输出的影响；(D) 不同水滴体积对输出性能的影响；(E) 不同水温条件下器件输出变化；(F) 不同湿度条件下的输出稳定性；(G) 不同NaCl浓度对器件输出性能的影响；(H) 器件面积对输出电流的影响；(I) 多次循环测试下的器件稳定性。

为了进一步优化LSCG器件性能，研究人员系统研究了材料比例、结构参数以及环境条件对输出性能的影响。实验结果表明，当Al2O3与UIO-66的比例达到最佳值时，复合材料具有更高的比表面积和界面电荷密度，从而显著提升离子迁移效率。

此外，适当的PVDF粘结剂含量和薄膜厚度有助于形成稳定的纳米通道结构，并维持较高的界面电场强度。研究还发现，水滴体积、水温以及环境湿度等因素均会影响器件输出，其中适量水滴能够促进水分在纳米通道中的渗透，从而形成更稳定的流动电流。

值得注意的是，当器件面积增加时，输出电流呈现近似线性增长趋势，这表明LSCG器件具有良好的规模化扩展潜力。同时，在多次循环测试以及长期环境放置条件下，器件仍能保持稳定输出，展示出良好的可靠性和耐久性。

图4 LSCG阵列及应用演示。(A) 基于LSCG阵列的智慧农业环境监测系统示意图；(B) 串联与并联连接下的输出电压与电流；(C) 单个器件对不同电容的充电能力；(D) 多个器件串联充电曲线；(E) LSCG阵列驱动计算器、LED灯、温湿度计和手机等电子设备；(F) LSCG阵列为植物环境监测传感器供电。

在完成单个器件性能优化后，研究团队进一步通过串联和并联方式构建LSCG发电阵列，以提高整体输出能力。实验结果表明，通过串联连接可以显著提升输出电压，而并联连接则能够增加输出电流，从而满足不同电子设备的供能需求。

基于该阵列系统，研究人员成功实现了对计算器、LED灯、温湿度计等低功耗电子设备的直接供电，并进一步演示了为手机充电的能力。这表明LSCG不仅具备良好的能量收集能力，同时也具备良好的系统集成潜力。

在应用方面，研究团队提出了一种自供能智慧农业监测系统。该系统利用灌溉过程中产生的水滴驱动LSCG阵列，为土壤温湿度传感器以及无线通信模块提供电能，实现对作物生长环境的实时监测。与传统依赖电池或太阳能的农业监测系统相比，该技术具有部署灵活、能源可持续以及维护成本低等优势，为未来智慧农业与分布式物联网系统提供了新的能源解决方案。

综上所述，本研究提出了一种偶极效应增强的LSCG设计策略，通过构建高比表面积的Al2O3/UIO-66/PVDF复合材料并引入铁电PVDF薄膜偶极场，实现了对界面电场和离子迁移行为的有效调控。该策略显著提升了器件的输出性能和稳定性，使LSCG在微量水滴驱动下即可产生毫安级电流输出，并保持长时间稳定工作。同时，通过器件阵列集成进一步展示了LSCG在智慧农业环境监测系统中的应用潜力，实现了对土壤温湿度、电导率及气体浓度等环境参数的实时监测。本研究为低品位水能的高效利用提供了新的设计思路，也为分布式能源与物联网系统中的自供能技术发展提供了重要参考。

论文信息

Dipole effect enhanced liquid stream-current generator

Endian Cui, Pengfan Wu, Fayang Wang*, Shiwei Xu, Danni Yang, Jiaqian Yang, Wangyang Zhang, Chenxi Zhao, Yi Yang, Yifan Bu, Man He, Xiaojing Mu*, Zhong Lin Wang*

期刊：Matter

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102632

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牟笑静，重庆大学光电工程学院副院长，教授，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家，海外高层次人才引进计划国家特聘专家（青年），重庆市“仪器科学与技术”学科学术技术带头人，重庆市“百名海外高层次人才聚集计划”特聘专家，重庆市杰出青年科学基金获得者。现任重庆大学微纳系统及新材料国家级国际联合研究中心主任，新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室副主任，担任国家科技部重点研发计划多个专项和国家自然科学基金委项目会评专家。主要从事先进微纳声学器件、微纳能源、压电薄膜材料与器件、光学超材料等技术研究，取得了基础理论、材料制备、器件设计、工艺集成及器件应用的全链条研究成果。主持有国家重点研发计划项目/课题、国家自然科学基金航天联合基金重点项目、JKWGFKJ创新特区项目、国家自然科学基金面上/青年基金和装备预研教育部联合基金等国家级项目20余项。获得新加坡杰出工程成就奖、重庆市自然科学二等奖（排名第1）、中国仪器仪表学会科技进步二等奖（排名第1）2项、新加坡科技局航空项目成就奖（排名第1）、中国产学研合作奖2项（排名第1）和重庆市十佳科技青年奖等奖励多项。以通讯作者身份在Nat. Commun、Matter、 Adv. Mater、InfoMat、Adv. Sci等期刊上发表论文150余篇；已授权和发表专利60余项；参与编写蓝皮书2部；参与制定团体标准四项，另有两项国标正在参与制定中。现为全国专业标准化技术委员会全国医疗装备产业与应用标准化工作组委员、中国能源研究会电力传感和智能分析专业委员会委员、中国仪器仪表学会理事、中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术分会理事、中国仪器仪表学会传感器分会理事、中国微米纳米技术学会微纳执行器与微系统分会理事、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、重庆市声学学会副理事长、多个行业头部企业和研究院工程中心主任以及Sensors International主编、Micromachines和压电与声光等期刊编委、Research青年编委。

王中林，国际著名纳米科学家、物理学家、材料学家和能源技术专家，被誉为“纳米发电机之父”。现任美国佐治亚理工学院终身董事教授（Regents’ Professor）和Hightower讲席教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所创始所长、现任所长，中国科学院大学纳米科学与技术学院院长。王中林院士为中国科学院外籍院士（2009）、欧洲科学院院士（2003）、加拿大工程院国际院士（2019）、欧洲工程院院士（2022）、美国国家发明家科学院院士（2022），中国化学会会士。他是纳米能源研究领域的奠基人，发明了摩擦纳米发电机（TENG），开创了基于纳米发电机的自驱动系统和蓝色能源研究领域，并建立了压电电子学、压电光电子学与摩擦电子学学科，发现了六个新物理效应，对运动介质电动力学和高能电子非弹性散射理论也做出了重要贡献。王中林院士曾获得2023年全球能源奖（Global Energy Prize）、2019年爱因斯坦世界科学奖（Albert Einstein World Award of Science）和2018年埃尼奖（ENI Award）等国际顶级奖项。根据斯坦福大学与Elsevier发布的全球科学家影响力榜单，他在科学家终身影响力排名中位居全球第一，并在2019—2023年连续五年单年影响力排名第一，Google Scholar引用次数超过50万次，h指数达337。

王发扬，重庆理工大学讲师，硕士生导师。长期从事能量收集器器件设计、俘能材料制备及自供电传感系统开发等方面的基础与应用研究，掌握MEMS压电、摩擦及电磁等能量收集器研制相关的微纳加工与精密机加工工艺，并在智能电网、工业物联网及水下无人装备等领域开展了验证性应用。参与国家重点研发计划、国家自然科学基金航天联合基金、国家电网有限公司科技项目及国家自然科学基金面上项目等多项科研项目。以第一作者、通讯作者或共同第一作者在Matter、InfoMat、Advanced Science、Nano Energy、International Journal of Extreme Manufacturing和Chemical Engineering Journal等期刊发表论文15篇，其中影响因子大于10的论文8篇；授权发明专利6项。现担任Sensors International青年编委、MEMS微能源标准化专家组成员曾获中国仪器仪表学会科技进步二等奖。