本文轉(zhuǎn)自： 環(huán)球新碳

我國(guó)目前的發(fā)電形式主要有以下幾種：

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火力發(fā)電，主要利用煤、石油、天然氣作為燃料生產(chǎn)電能。一方面化石燃料蘊(yùn)藏量有限，越燒越少，正面臨著枯竭的危險(xiǎn)。另一方面燃燒燃料將排出二氧化碳和硫的氧化物，因此會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨，惡化地球環(huán)境。

2 水力發(fā)電，主要利用水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電。水力發(fā)電對(duì)水量的過(guò)大需求會(huì)破壞河流的生態(tài)系統(tǒng)，還要淹沒(méi)大量土地。

3 風(fēng)力發(fā)電，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的動(dòng)力機(jī)械，又稱(chēng)風(fēng)車(chē)。主要缺點(diǎn)是有噪聲和視覺(jué)污染，且占用大片土地。

4 核能發(fā)電，利用核能將反應(yīng)堆中的水加熱產(chǎn)生蒸汽，在蒸汽的推動(dòng)下，汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電能。核能電廠會(huì)產(chǎn)生高低階放射性廢料，如果在事故中釋放到外界環(huán)境會(huì)對(duì)生態(tài)及民眾造成傷害。

5 太陽(yáng)能發(fā)電，直接將日光轉(zhuǎn)換為電流（也稱(chēng)光伏發(fā)電），其基本原理就是“光伏效應(yīng)”。太陽(yáng)能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，這是開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能面臨的主要問(wèn)題。

一直以來(lái)科學(xué)家都在研究如何用新的方法駕馭水電能。過(guò)去十年中，一系列的理論和實(shí)驗(yàn)研究證明，水或者其他極性液體通過(guò)一維結(jié)構(gòu)（如碳納米管）時(shí)，可以在液體流動(dòng)方向上產(chǎn)生一定的凈勢(shì)能差和相應(yīng)的電流。很多機(jī)理都曾經(jīng)被用來(lái)解釋這種現(xiàn)象，比如聲子拖曳（在碳納米管中從流動(dòng)的液體中將動(dòng)量轉(zhuǎn)移到聲頻聲子上，這種動(dòng)量反過(guò)來(lái)又在納米管中拖拽自由電子載體），表面離子跳躍，流體中自由電荷載體在波動(dòng)的離子庫(kù)倫力場(chǎng)的正向散射，波動(dòng)不對(duì)稱(chēng)電勢(shì)和流動(dòng)電勢(shì)模型等。對(duì)碳納米管的實(shí)驗(yàn)研究表明，由水流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓小于10mV。雖然幾毫伏級(jí)的信號(hào)對(duì)于微型流量傳感器應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了；但是，若要從流體流動(dòng)的環(huán)境中收集大量的能量的話，這些還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

盡管技術(shù)上的進(jìn)步使得太陽(yáng)能電池的效率大大提高，價(jià)格也逐漸降低，但下雨時(shí)太陽(yáng)能電池?zé)o法發(fā)電仍是不爭(zhēng)的事實(shí)?，F(xiàn)在，這一缺點(diǎn)可被神奇的石墨烯材料克服！石墨烯中富含可以在二維平面上自由移動(dòng)的電子，因此具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。在溶液中，石墨烯中的電子容易和帶正電荷的離子相結(jié)合?；谑┑奶幚砉に嚦＠眠@一屬性去除溶液中的鉛離子和有機(jī)染料。

受上述現(xiàn)象的啟發(fā)，青島海洋大學(xué)的研究人員在太陽(yáng)能電池上鍍上石墨烯薄膜，發(fā)現(xiàn)它在模擬雨水的環(huán)境下能產(chǎn)生數(shù)百微伏的電力。這是因?yàn)橛晁⒉皇羌儍羲?，其中的鹽分能分離出正電荷、負(fù)電荷離子。正電荷離子，包括鈉離子、鈣離子和鋁離子等，吸附在石墨烯的表面。在雨水和石墨烯之間的接觸點(diǎn)，水中富含的正離子和石墨烯富含的電子形成具有贗電容特性的雙層，能像電容器那樣儲(chǔ)存能量。兩端電位的差異足以產(chǎn)生數(shù)百微伏的電壓和電流?？茖W(xué)家指出未來(lái)的太陽(yáng)能電池有望在任何天氣條件下全天候工作。這一研究結(jié)果發(fā)表在著名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。

圖1：可以全天候工作的太陽(yáng)能電池

國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志曾以亮點(diǎn)工作形式，報(bào)道了北京理工大學(xué)的曲良體教授團(tuán)隊(duì)在石墨烯方向的研究成果，題目為“Power from Water and Graphene”。該工作的主要亮點(diǎn)是使水通過(guò)含有氧化石墨烯薄片的材料，就可以實(shí)現(xiàn)用水來(lái)產(chǎn)生電，成功點(diǎn)亮LED燈泡。圖2：“自然”雜志報(bào)道的研究亮點(diǎn) 該研究團(tuán)隊(duì)的成果發(fā)表在《能源和和環(huán)境科學(xué)》雜志上。文中展示了開(kāi)發(fā)的由氧化石墨烯制備的三維結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)具有足夠大的孔洞，可允許水分子自由通過(guò)。當(dāng)水從這種材料的頂部流淌到底部的時(shí)候，水分子將和氧化石墨烯中的含氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，分離形成氫離子；剩下的氧基團(tuán)則非均一地分布在材料中，這將產(chǎn)生足夠多的離子，從而生成電能。

圖3：水通過(guò)含有氧化石墨烯薄片的材料產(chǎn)生電能示意圖

據(jù)估算，這種能量轉(zhuǎn)化方式的效率高達(dá)62%，并且該電能能夠點(diǎn)亮LED燈泡。

圖4：該材料由兩片多孔鋁電極夾在中間，這樣的結(jié)構(gòu)可使得水分子通過(guò)，由此產(chǎn)生的電力可以點(diǎn)亮LED燈泡。

石墨烯將水轉(zhuǎn)化為可直接利用的電能，此技術(shù)屬于能量轉(zhuǎn)化方面的重大突破，開(kāi)啟了一種全新的潛在能量源，在新能源領(lǐng)域具有可觀的前景。雖然目前這種材料還只是微觀尺度大小，未來(lái)電動(dòng)車(chē)可能也會(huì)使用水加石墨烯來(lái)發(fā)電。Who Knows? With amazing graphene, everything is possible!參考文獻(xiàn)1. A solar cell that Is triggered by sun and rain. Angewandte Chemie International Edition, 2016; DOI: 10.1002/anie.2016021142. The era of water-enabled electricity generation from graphene. J. Mater. Chem. A, 2016； DOI: 10.1039/C6TA03107B

3. Highly efficient moisture-enabled electricity generation from graphene oxide frameworks. Energy Environ. Sci., 2016；DOI: 10.1039/C5EE03701H

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