香港城市大学王钻开课题组最新Science Advances：高效气泡发电机

原创王钻开课题组研之成理

▲第一作者：严咸通、徐王淮、邓亚骏

第一作者单位：香港城市大学、深圳大学、深圳技术大学

通讯作者：王钻开

通讯单位：香港城市大学

论文DOI：10.1126/sciadv.abo7698

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近日香港城市大学王钻开教授课题组在仿生固/气界面水下能源收集领域取得突破性进展。该研究成果以“Bubble energy generator”为题发表在国际顶级期刊《Science Advances》上，首次报道了一种受晶体管结构启发适用于水下环境的高效气泡发电机（Transistor-inspired bubble energy generator, TBENG）。该装置通过设计具有电荷密度高和润湿性可调控的介电材料表面，利用气泡控制固/液界面与固/气界面在水下环境中的可逆切换，实现连续、高效、可逆的水下电荷转移，为水下环境能源采集以及水下自驱动系统的广泛应用开辟了新的途径。尤其，该基于气液界面的晶体管结构的工作是通过晶体管结构设计实现固液界面，固固界面，液液界面高效发电之后的又一突破，证明了晶体管结构设计的普适性。

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背景介绍

作为地球上最常见的物质之一，气泡在生物界和工业界都有着极为广泛的应用。在自然界中，微米级的空化气泡被手枪虾用作高能量密度的武器，击昏甚至是直接杀死猎物；米级的大气泡被座头鲸用于在水下编制陷阱，围困并捕捉猎物。在工业应用中，气泡可用作被动保护层，以减少工程材料表面流体的阻力；作为主动能量载体，通过液-泡相变耗散材料表面的热量、或是直接通过超声触发杀死癌细胞。然而，尽管气泡的用途多种多样，但蕴藏在这些动态气泡中丰富的能量能否被有效地收集利用，仍是个难以回答的科学难题。

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本文亮点

设计了一种能高效收集微小气泡能量的新型气泡发电机。其关键创新在于：调控介电材料的表面润湿性，来实现可控的气泡水下运动，从而抑制液体环境对介电材料表面电荷的屏蔽效应，以及设计类晶体管结构的电极架构，实现即使在水环境中也能高效地转移电荷。进一步的研究表明，TBENG的设计概念也完美适用于空气环境中微小气泡的能量收集。当气泡在空气中接触固体表面时，其快速破裂的特点能显著加速电荷转移效率并提高装置的输出性能。

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图文解析

新型气泡发电机采用双电极设计：一个氧化铟锡（ITO）电极被夹在玻璃基板和介电层（聚四氟乙烯，PTFE）中间，另一个铂（Pt）电极直接插入水中（图1A、B）。从装置架构层面来看，该结构与由源极、栅极和漏极组成的场效应晶体管很类似。在该设计中，表面预存有高密度电荷的PTFE与其下面的ITO电极可一起被视为源极，Pt电极的功能类似于用作释放电荷的漏极，而控制PTFE表面电荷释放的移动气泡则充当栅极。

当一个100 μL大小的气泡从距离TBENG底端18 mm的管口释放，撞击到TBENG表面时，初始的液/固界面会转化为气/固界面，从而驱动两个电极之间的电荷转移。所产生的输出电压和电流分别为40.3 V和2.4 μA，比不使用双电极设计的对比组装置高出约56.5和34.3倍。从Pt电极转移到ITO的电荷量约为20.0 nC，比对比组装置的转移电荷量高40.4倍（图1E）。能量转化效率约为1%，接近在空气中工作的液滴发电机的能量转化效率。这样的高效电输出一次性可以点亮由35个发光二极管组成的“城市大学”标志（图1F）。

▲图1. TBENG的设计和性能表征

TBENG的发电原理如图2所示。在气泡接触TBENG之前，插入水中的Pt电极将PTFE、水和ITO电极连接成闭环电路。此时，预存在PTFE表面的电荷被水中的离子屏蔽，两个电极之间没有电荷转移。当气泡与PTFE表面接触时，初始的水/PTFE界面转变为空气/PTFE界面。气泡的吸附排开了PTFE表面的液体，使其表面的电荷得以暴露出来，并在ITO电极上通过静电感应效应感应出等量电荷，从而驱动电荷在两个电极之间转移（图2A）。相反，在单电极的对比组装置中，PTFE上的大多数表面电荷被接地的ITO电极屏蔽（图2B）。此外，与TBENG装置相反，对比组中的PTFE、ITO和水之间没有形成闭环电路，导致气泡与PTFE表面接触时仅能引起非常有限的电荷转移。

▲图2. TBENG的发电原理

为了进一步揭示气泡对于发电的调控作用，研究者绘制了气泡在TBENG上移动时，输出电压随时间变化的曲线。图3A所示，气泡在0 ms时接触到TBENG表面，随后开始铺展、收缩并最终脱离，整个过程持续的时间约为40.0 ms。期间，气泡与TBENG的接触面积也展现出随时间动态变化的特点。进一步研究表明：气泡在TBENG表面上移动时，最大输出电压出现在9.0 ms，此时的气泡仍处于铺展阶段。在20.0 ms时，气泡达到最大铺展直径(约8.3 mm)，其输出电压降至0 V。随后气泡的收缩产生负电压信号，而当气泡完全脱离TBENG表面时，输出再一次变为0 V。从图3A中还可以看出，在气泡铺展和收缩的过程中，电压信号的变化与气泡/TBENG界面面积的变化率高度同步，充分说明输出电压是由气泡和TBENG的相互作用产生的。

研究者还发现，在水下环境中，TBENG的PTFE表面会不可避免地被水膜覆盖，该水膜会屏蔽PTFE上的电荷，从而抑制电荷转移，与空气环境中基于水滴的发电形成鲜明对比。为了展示TBENG设计可以消除水下环境的屏蔽效应，研究者进一步聚焦并可视化了PTFE表面水膜的微观行为。如图3B所示，在气泡接触角(Bubble contact angle, BCA)为65°的TBENG表面，气泡可以将这层水膜完全排开，将初始的液/固界面转变为气/固界面，从而消除水膜造成的静电屏蔽效应。相比之下，在BCA为135°的TBENG表面，气泡和PTFE之间存在一层稳定而连续的水膜，而且气泡无法将其排开，导致PTFE表面电荷的释放被抑制，使TBENG无法产生电信号（图3C）。图3D的输出电压测试也展示了TBENG的输出性能与其表面润湿性的密切关系。

为了揭示表面润湿性对TBENG发电性能的调控作用，研究者测量了不同润湿性TBENG的转移电荷密度，并分析了不同润湿性TBENG表面的气泡迁移率。如图3E所示，随着BCA从45°增加到115°，TBENG的转移电荷密度先增加后下降；分子动力学模拟的结果显示，当BCA从约45°增加到约115°时，用于克服气体分子和PTFE之间范德华吸引力的界面能从149.42 KJ/mol线性下降至62.89 KJ/mol。这两个结果表明，存在一个最佳的BCA使TBENG的输出性能达到最优。为了定量表征润湿性与TBENG发电性能的关系，研究者通过电路模型和流体力学分析得出了电压输出和BCA的关系。如图3F所示，在不同的BCA下，TBENG的输出电压与BCA和转移电荷密度之间呈一一对应关系，证实了表面润湿性对能量产生的重要作用。

▲图3. TBENG的作用机理分析

研究者接下来探究了多重气泡发电的场景来模拟实际应用情况。与单个气泡不同，多重气泡的情况可根据气泡释放的空间和时间区分为同步气泡和非同步气泡两种模式。图4A-Ⅰ显示了一种典型的同步模式，其中两个气泡以大于气泡最大直径的距离同时释放。在非同步模式下，气泡以小于单个气泡接触时间的间隔释放。这种情况下，两个非同步气泡的铺展和收缩在时间上相互重叠（图4A-Ⅱ）。因此，相同情况下，同步气泡展现出比非同步气泡更大的固/气接触面积（图4B），从而产生更高的输出电压（图4C）。值得注意的是，增大气泡释放的时间间隔或空间间隔可以抑制非同步模式，提高多重气泡在实际情况中的效率。

研究者还发现，TBENG在水下环境中高效发电的设计可以扩展到空气环境中，而且输出性能更高。在空气/水界面处，与固体接触的气泡容易快速破裂，这一过程可加速电荷转移。图4D显示了与空气中PTFE接触的气泡的动态图片，该气泡在5.2 ms内快速破裂，使气泡与PTFE的接触时间减少了75%。此外，空气环境中不存在水下环境的静电屏蔽效应。以上两个优点使TBENG的输出电压提高了142.9%（约70 V）（图4E），对应的平均能量密度约为2.14 mJ/L，是现有微小气泡发电机输出性能的最高值（图4F）。

▲图4. 多重气泡和空气/水界面的能量收集

TBENG水下高效收集能量的特点特别适用于供电困难的水下和海洋等离岸环境。在这些环境中，保障电子监测设备的长期电力供应是一项艰巨挑战。目前的离岸供电方式，如利用电线进行远距离电力输送或使用一次性电池供电，具有成本高、资源消耗大、易造成污染等弊端。相比之下，TBENG产生的电能可储存在电容中（图5A），作为可持续、清洁和实时的电源，为离岸设施的健康监测设备供电。如图5B所示，TBENG可以与多功能传感器集成，实现对温度、湿度和时间的同时监测，而无需额外供能。研究者还设计了一种具有间歇性传输模式的无线温度传感器（图5C），利用TBENG将15 μF的电容器充电至4 V即可长期为其供电（图5D），展示了TBENG在离岸环境中长期健康监测应用的巨大潜力。

▲图5. TBENG的应用

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作者介绍

严咸通，深圳大学博士后研究员。2018年硕士毕业于深圳大学，2021年博士毕业于香港城市大学。主要致力于仿生功能性表/界面材料与摩擦纳米发电技术的开发和工程应用。已在Sci. Adv.，Natl. Sci. Rev.，Appl. Phys. Lett.，China: Phys., Mech. Astron.，Constr. Build. Mater.，Cem. Concr. Compos.等国际高水平期刊上发表论文10余篇，授权国家发明专利1项。

徐王淮，香港城市大学博士后研究员。2020年博士毕业于香港城市大学和中国科学技术大学，主要研究固液界面水电转换、流体传输及应用基础研究。目前已在Nature， Sci. Adv.， Joule，PNAS，Natl. Sci. Rev. 等国际高水平期刊发表SCI论文20余篇，授权国际专利1项。

邓亚骏，工学博士，深圳技术大学助理教授，北京大学“优秀博士学位论文”获得者。2013年本科毕业于中国矿业大学热能与动力工程专业，2018年博士毕业于北京大学力学（能源与资源工程）专业。2018年7月至2022年2月在北京大学北京天然气水合物国际研究中心从事博士后研究，期间赴香港城市大学机械工程系访学一年。主要研究领域包括天然气水合物基础物性及水合物开发、微尺度热-质传递及能量转换、表面与界面相关科学及工程应用等。目前已经发表高水平科技论文10余篇，出版个人专著1部。

王钻开，香港城市大学机械工程系讲座教授。2000年毕业于吉林大学并获机械工程学士学位，2003年在中国科学院上海微系统与信息技术研究所，获微电子学硕士学位，2008年获美国伦斯勒理工大学机械工程博士学位，2009年在哥伦比亚大学进行博士后研究后入职香港城市大学。曾获得青山科技奖（2021），科学探索奖（2020），国际仿生学会杰出青年奖，国际文化理事会青年特别嘉奖，上银优秀博士论文指导教师奖（2016优秀奖，2019年银奖， 2021优秀奖），香港城市大学杰出研究奖和校长奖。在Nature, Science，Nature Physics, Nature Materials等杂志上发表论文200余篇。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo7698

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