Nano energy：基于光热驱动的Ti3C2Tx的MXene纳米流体水泵发电

【背景】

一种流行的收集太阳能的方法是将光转换为热，然后转换为水的动能，最后转换为电，即所谓的聚光太阳能。但是，它需要非常庞大的组件，从而限制了应用程序。在这项研究中，我们提出了一种小型化的纳米流体版本-只需将MXene薄膜放在离子溶液上，然后将薄膜的一部分暴露在光下即可。MXene独特的光热特性将不对称光辐射转换为水蒸发梯度，从而将水泵送通过薄膜中的纳米流体通道，从而传输阳离子并产生离子电流。我们期望这项研究能够激发更多的研究来探索纳米流体光热发电作为一种替代太阳能发电技术的可能性，从而为微流体/纳米流体设备供电。

【成果简介】

近期，天津大学罗家严等共同通讯在Nano Energy上发表了题为“Electricity Generation Based on a Photothermally Driven Ti₃C₂T_xMXene Nanofluidic Water Pump”的研究论文。该研究中我们演示了实现与聚光太阳能相似的能量转换步骤的纳米流体光热发电。配置非常简单：将MXene的多层膜放在离子溶液的顶部后，在不对称光照射下会产生光热电。我们发现，由于MXene具有出色的光热特性，它可以将不对称光辐照转换为温度梯度，导致水通过MXene膜中的纳米流体通道进行不对称蒸发。该蒸发梯度驱动水流过通道，将热能转换为水的动能。由于带负电的MXene，这种水流在双电层内传输阳离子，从而产生流动电流。

【图文导读】

图1. 纳米流体光热发电

(a) MXene薄膜横截面的SEM图像(插图:厚度为1.5 nm的脱落纳米片的AFM图像)；

(b) 将MXene薄膜置于离子溶液(1 M NaCl)上，一端置于光照射下产生电流。俯视图红外图像(底部)显示了MXene膜在右端辐照时的温度分布；

(c) 100 mW/cm²光照射下产生的电流。

图2. 电流生成的机理

(a) 机理示意图。简单地说，不对称的光照射在薄膜上引起温度梯度，从而引起水的蒸发梯度。在慢蒸发区(这里左边，当右端受到辐射时)的水被迫流到快蒸发区(右边)，以补偿水的损失，它运输带负电荷的MXene片的电双层内的阳离子。阳离子的这种定向传输产生净电流；

(b) MXene纳米片的负zeta电位，确定其负表面电荷；

(c) 对于均匀辐照膜，水的蒸发随光功率的增大而增大，说明不对称辐照导致不对称蒸发是合理的；

(d) 即使建立了~ 20c的温度梯度(inset红外图像)，密封膜(inset方案)仅产生0.4 A电流；

(e) 在没有光照射的情况下，半密封的薄膜产生~3倍的电流。上述结果证实了蒸发在当前发电中起着关键作用。为了进一步证实电流来源于水流；

(f) 离子溶液的水滴沿MXene薄膜移动；

(g) 只有当液滴运动时，才产生电流；

(h) 所产生的电流随液滴运动速度线性增大。

图3. 光辐照不对称性、光功率和离子浓度的影响

电流的产生很大程度上依赖于光的不对称性，表现在两个方面：a)从膜的左端到中心到右端的光的连续响应；b)不同照射位置下的平均值。c)电流随光功率的增加近似线性增加。d)它也随着离子浓度的增加而增加。

图4. 概念验证应用

收集太阳能。MXene薄膜漂浮在1 M NaCl溶液上，放置在室外，从早上6:00到晚上22:00进行发电。对于不对称光照射，薄膜的一半折叠在水下。电流依赖于阳光，但由于水的不断蒸发，仍可在晚上产生。

【小结】

在这项工作中，我们展示了一种纳米流体光热发生器，它让人联想到聚光太阳能。利用MXene薄膜将不对称的光照射转化为蒸发梯度，将水泵入纳米流体通道，诱导流动电流。值得注意的是，在类似的光功率密度下，纳米流体的光电流比其他二维材料高几个数量级。如果将来用于太阳能热发电，可能会显示出显著的优势。首先，它的配置非常简单，这有助于降低安装成本，使其更适合于调度发电。其次，由于蒸发机制，它也使电力在晚上生产。第三，它的小尺寸，使其用于小规模的电力输送，并在小型化的设备。第四，它还可以与太阳能淡化技术相结合，在淡化海水的同时获取电力。

文献链接

Electricity Generation Based on a Photothermally Driven Ti₃C₂T_xMXene Nanofluidic Water Pump

本文由luna编译供稿。

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