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MOF-801金属有机框架材料用于水蒸发驱动发电
摘要：
河南大学崔鹏&程纲老师等报道的本篇文章（Small 2024, 2400961）中研究了利用功能化纳米通道将环境热能转化为电能的过程。这一过程涉及固液界面与自然水蒸发之间的相互作用。蒸发驱动的水势效应是一种新型的绿色环境能源捕获技术，具有广泛的应用，并不依赖地理位置或环境条件，只要有水、光和热就能产生电能。然而，需要合适的材料和结构来利用这一自然过程进行发电。MOF材料是水蒸发发电的新兴领域，但仍然存在许多挑战。本研究使用具有高孔隙率、带电表面和亲水性的MOF-801来增强蒸发驱动发电的输出性能。它可以产生约2.2 V的开路电压和约1.9 µA的短路电流。这项工作具有简单的结构、易于制备、低成本和易得材料，以及良好的稳定性，在自然环境中可以稳定运行，具有很高的实用价值。
研究背景：
(1) 行业里遇到的问题:现有技术只能利用少量的蒸发潜热，导致输出功率低，能量转换效率差。
(2) 其他学者的解决方案:
① 研究者根据材料的形态和作用机理将EIEG材料分为六类:炭黑、氧化石墨烯、金属氧化物、金属衍生物、纤维素和复合材料。
② 2020年，研究人员通过在二维水合氧化铝纳米片上生长UIO-66纳米颗粒合成了一种新型金属-有机框架(MOF)纳米片材料。纳米片形成了均匀取向的纳米通道，降低了流动阻力，增强了流体传输能力。EIEG的输出电压达到1.63±0.10 V。
③ 2021年，研究人员合成了聚苯胺包覆的MOF纳米棒阵列膜，结合了聚苯胺和MOF材料的优点。它表现出良好的稳定性、太阳能蒸汽脱盐和蒸发驱动发电性能。
(3) 本文的创新:
① 选择MOF-801作为金属-有机框架材料进行水蒸发驱动发电的研究。
② 利用MOF-801高稳定性、良好的吸水性能、大比表面积、高孔隙率等特点来增强EIEG的输出性能。
实验部分：
(1) 制备了基于MOF-801材料的蒸发诱导电生成器(MEIEG)，并对其形貌、结构和化学性质进行了表征。
(2) 探究了MEIEG的工作机理，证明电输出信号主要是由发电器周围水蒸发引起的定向水流引起的。
(3) 研究了外部环境变化(如系统状态、温度、相对湿度和风速)对MEIEG输出性能的影响，发现低相对湿度和高温有利于提高输出功率。
(4) 通过控制变量法优化了器件尺寸，得出固定宽度为10 cm时，存在最佳高度约为2.5 cm;固定高度为2 cm时，输出信号与宽度正相关。
(5) 研究了盐溶液浓度对输出的影响，发现NaCl溶液与输出性能呈负相关，对电压的影响更大。
(6) 测试了MEIEG在不同弯曲角度下的输出性能，证明其具有良好的柔韧性、附着力和稳定性。
突破:与现有材料相比，基于MOF-801制备的MEIEG展现出更优异的性能，超过了炭黑、氧化石墨烯、金属氧化物、金属衍生物和纤维素基材料制成的发电机。
分析测试：
(2) XRD光谱与模拟峰完全吻合，证明样品制备成功。SEM图像显示颗粒直径约为150 nm，形状为八面体。
(3) 水接触角测试表明，MOF-801层在24小时内保持了良好的亲水性，可以有效地通过毛细作用输送水。
(4) 当外部负载电阻从1 KΩ逐渐增加到10 MΩ时，端电压从接近零逐渐增加到0.96 V;同时，电流从0.76 µA逐渐降低到接近零。当负载电阻为5 MΩ时，输出功率密度达到最大值0.14 mW m-2。
(5) 在相同外部环境条件下连续记录MEIEG的输出电压数据数小时，未发现明显衰减。将器件置于朝南的阳台，连续记录其电压输出，并每小时收集温度和相对湿度数据，证明其在自然环境中工作相对稳定。
(6) 通过串并联方式连接多个器件，输出电压和电流可以按比例增加。串联3个器件、并联2组(共6个器件)的组合可产生3.2 V的总输出电压和2 µA的电流，足以直接驱动小型计算器。
上述分析表征和测试揭示了MOF-801独特的高孔隙率结构和亲水性，使MEIEG在利用环境水蒸发作为可持续电源方面取得了进展。
总结：
(1) 提出使用MOF-801作为活性材料制备EIEG。
(2) 发电机的简单结构设计产生了高且稳定的电输出信号，无需太多处理即可达到良好效果。
(3) 该器件具有结构设计简单、材料制备容易、环保节能无污染等特点。
(4) 本工作证明了MOF材料在该领域的潜力，为开发利用自然水循环能量提供了很好的思路。
展望：
(1) 目前MOF材料蒸发驱动发电的研究现状是MOF种类还比较少，输出性能不高，导致输出功率低，可进一步拓展更多类型的MOF材料，优化其结构和性能。
(2) 利用额外结构辅助构建纳米通道或掺入吸热材料增强吸热能力以获得更好输出，
(3) 进一步探索器件的集成化，研究其与其他能量收集装置的协同效应，扩大其应用场景。
Harnessing Natural Evaporation for Electricity Generation using MOF-Based Nanochannels
文章作者：Huimin Liu, Peng Cui, Jingjing Zhang, Jingjing Wang, Ying Ge, Zunkang Zhou, Yao Meng, Zanying Huang, Ke Yang, Zuliang Du, Gang Cheng
DOI：10.1002/smll.202400961
文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202400961
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