供稿人：孙腾阔、连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-01-10
对化石燃料的持续依赖使人类面临能源和环境危机，能源的稀缺和无法有效减少温室气体的排放，正在推动全球变暖。利用清洁和可再生能源发电的新型能源转换技术被认为是一个很有前途的解决方案。随着新型水能发电(WEG)技术的出现，这些可再生能源可以通过水与固体之间无处不在的相互作用转化为绿色电力。与传统水力发电方式相比，新型WEG技术具有制造工艺简单、安装简单、灵敏度高、重量轻、生态友好等优点。因此，WEG已发展成为一个迅速扩大的研究领域。
WEG的新兴技术大致分为两种类别：湿电发电机(MEGs)和水蒸发感应发电机(WEIGs)。与MEGs不同，WEIGs利用毛细管作用的连续过程和无处不在的蒸发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，电信号长时间稳定保持，受环境波动的影响较小。WEIG技术在这一发展中的清洁能源收集领域显示出巨大的实际应用潜力。华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室李鑫、陈广学等将木质生物炭（WBC）与乙基纤维素（EC）和乙醇混合制成均匀的浆料，并在硅胶垫上铸造浆料后，通过空气热解制备WEIG。并详细研究了WBC形成过程，评估了来自木质纤维素（LCFs）三个不同组分的WBC对电力生成的影响。研究结果表明，富含木质素的WBC特别适用于WEIG，这为广泛采用LCFs进行水电能源发电提供了潜在可能性。
图1 (a) WBC合成过程示意图，(b)纤维素、半纤维素和木质素在炭化前后的形态演变
研究者利用木质生物炭（WBC）作为材料制备水蒸发诱导电发生器（WEIG）。WBC是由LCFs制备的，LCFs是一种主要由纤维素、半纤维素和木质素组成的植物生物质，其内部化学结构和成分比例各不相同图1(a)。LCFs中提取出纤维素、半纤维素和木质素三种成分，分别用α-纤维素、玉米芯木聚糖和硬木提取的木质素代替，制备出三种不同成分的WBC。然后，将这些成分放入管式炉中进行碳化处理，得到WBC。最后，将WBC与乙基纤维素和乙醇混合成均匀的浆料，倒入硅胶垫中，进行空气热解，制备出WEIG。这些样品的形态演化如图1(b)所示。实验测试结果表明使用具有较高木质素含量的生物废弃物制备的WEIGs具有较高的短路电流（Isc）和开路电压（Voc）。通过调整原材料中纤维素、半纤维素和木质素的比例，可以调节WEIGs的Isc和Voc。WEIGs的电性能与碳化温度有关。随着碳化温度的增加，WEIGs的电性能逐渐提高。较高的碳化温度使得WBC转变为更稳定的结构，减少了在退火过程中丢失碳原子的可能性。WEIGs的粒径对电性能影响较小。湿度、风速和温度对WEIG的电压产生影响。增加湿度和风速会降低WEIG的电压，而增加温度会提高WEIG的电压。此外，WEIG对温度变化具有良好的自调节能力。这些测试结果提供了关于WEIGs的电性能和影响因素的重要信息。
综上所述，通过使用富含亲水性功能基团和微/纳米孔隙的WBC，可以制备一种简单有效的基于水的微型蒸发诱导发电器（WEIG）。这种制造的基于WBC的能量发生器可以根据WEIG的数量进行扩大。此外，电能可以被收集起来用来操作计算器，这表明了它在实际应用中的潜力。