隨著可再生能源需求的不斷增加，能源收集技術引起了廣泛關注。特別是水伏技術作為一種新興的能源收集方式，因其能夠從水中直接生成電能而備受矚目。這種技術的核心在于利用水流的動能或水滴的重力勢能來驅動電荷的遷移，從而實現電能的轉換。盡管已有多種水伏設備的開發，主要依賴于毛細管滲透、蒸發等機制，當前大多數技術仍面臨發電效率低、持續發電時間短等問題。這些設備通常只能在水流動或水滴落下時工作，導致發電的間歇性和限制性。

上游質子擴散是一種涉及在水流方向相反的情況下質子的運動。然而，目前的研究主要集中于下游離子傳輸和流動電位的機制，這使得上游質子擴散的潛在應用尚未被充分探索。因此，如何利用上游質子擴散生成穩定的電能，成為了亟待解決的科學問題。

為此，清華大學深圳研究院丘陵副教授聯合南京航空航天大學郭萬林院士、殷俊教授和仇虎教授合作在Nature Nanotechnology期刊上發表了題為“Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels”的最新論文。研究團隊通過開發一種新型的MXene/聚乙烯醇（PVA）復合薄膜，探索了在二維納米通道內的上游質子擴散機制。通過將水滲透到通道中，研究人員發現水分子促使表面官能團解離，釋放出質子，從而在通道內形成高濃度的質子。這種質子的運動方向與水流相反，形成了上游質子擴散，進而生成電能。實驗表明，僅用5微升的水滴，便可持續產生約400毫伏的電壓，長達330分鐘以上。

（1）本研究首次展示了在MXene/聚乙烯醇（PVA）復合薄膜的二維納米通道中，通過質子上游擴散實現發電的機制。與傳統的下游離子傳輸不同，該機制表明質子可以逆水流方向運動，進而生成電壓。

（2）實驗通過將水滴滲透到納米通道中，觀察到水的滲透導致通道表面官能團的質子解離，進而形成高濃度質子。這一過程驅動質子上游擴散，結果顯示僅用5微升水滴即可產生約400毫伏的開路電壓，并持續超過330分鐘，展示了該裝置的長效發電能力。

（3）與現有水伏設備不同，傳統設備的發電依賴于水流動與離子同向移動，且發電時間受限于水流的持續性。而本研究提供的解決方案利用了水分子和質子運動的不同方向，顯著延長了電能輸出的時間。

（4）此外，由于MXene/PVA薄膜的超薄和柔性特性，研究成果還促成了可穿戴設備的開發，使其能夠從人體汗液中收集能量，具有廣泛的應用潛力和便利性。

圖1：MXene/聚乙烯醇poly(vinyl alcohol) 復合膜composite film，MPCF設備的配置、特性和性能。

圖2：常規機制的排查。

圖3：在MXene/聚乙烯醇復合膜MPCF中，極慢的水滲透。

圖4：質子上游擴散upstream diffusion感應電流。

圖5：器件集成和應用。

本研究首先揭示了在二維納米通道中質子上游擴散的獨特機制，為水伏技術的創新發展指明了方向。傳統水伏設備主要依賴水流動引發的離子運動，而本研究的發現表明，質子的解離和擴散也能有效生成電能。這一逆向機制的運用，挑戰了以往對水與電能關系的理解，提示我們在設計新型能量收集設備時，可以考慮更廣泛的物質遷移過程。

其次，研究強調了材料的結構設計對電能生成效率的影響。MXene/PVA復合薄膜的使用展現了其在水伏應用中的潛力，其超薄和柔性的特性為可穿戴設備的發展奠定了基礎。這種材料的組合不僅提升了電能輸出的持續性，還使得設備在各種實際應用環境中更具適應性。

質子解離和擴散過程在自然界中廣泛存在，這為未來在多種水環境中開發新型水伏設備提供了啟示。科學家們可以探索其他具有類似特性的材料和機制，以實現更高效的能量收集和利用，推動可再生能源技術的進步。

最后，這項研究的發現不僅對基礎科學研究具有重要意義，也為可持續能源的應用提供了新的視角，鼓勵更多的跨學科合作與創新，從而促進清潔能源技術的快速發展，響應全球對可再生能源需求日益增長的挑戰。

Xia, H., Zhou, W., Qu, X. et al. Electricity generated by upstream proton diffusion in two-dimensional nanochannels. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01691-5