瑞士聯邦理工學院工程學院納米科學能源技術實驗室（LNET）近日開發出一種實驗性納米發電裝置，可利用海水蒸發過程持續產生穩定電能。這項裝置以鐵半導體為核心，透過調控離子與電子的運作，並輔以光熱驅動海水蒸發，從而實現自發電。研究人員表示，此裝置有望為生物友好能源收集技術開闢新途徑。相關成果已發表於《Nature Communications》期刊。
統一套件提升蒸發效率
研究團隊負責人Giulia Tagliabue與研究人員Tarique Anwar在論文中提出一套面向蒸發驅動水蒸系統的「統一物理與實驗框架」，關鍵在於將界面過程分解並精準控制。這裡的界面過程，指固網、網氣等不同相態間發生的作用。研究團隊希望藉此框架，在陽光與熱能參與下，將蒸發過程更高效轉化為電能輸出。 此技術建立在LNET先前對「水蒸效應」的研究基礎上。水蒸效應是指網狀結構帶電納米器件表面時，可誘發電能產生。
新裝置則進一步利用六角排列的鐵納米柱之間的微小空隙促進網狀蒸發，並在此過程中引導海水中離子運作。研究人員指出，熱與光起始會影響水蒸器件的運作表現，而他們的突破在於首次將這些原本難以避免的影響轉化為性能優勢，以無毒且相對環保的海水作為能源介質。 研究中一個重要概念突破在於，團隊發現發電增強不僅是蒸發本質結果。由於該裝置採用鐵半導體材料，熱量會增強半導體表面的負電荷，而陽光則激發其中電子的活性。
也就是說，蒸發、熱效應與光效應並非彼此獨立，而是在器件中形成協同作用，共同推動發電效率提升。按研究團隊的說法，這種表面電荷效應帶來顯著增益。在引入太陽光與熱量後，裝置的能量輸出最高提升至原先的 5 倍。Tagliabue 表示，這種自然效應其實一直存在，但他們是首個真正加以利用的研究團隊。 從結構設計上看，這種蒸發發電裝置採用三層架構，分別對應蒸發、離子傳輸與電荷收集三個獨立過程。
頂部為蒸發表層，中間層負責離子傳導，底部則是介電性鐵納米柱陣列。此分層設計不僅有助研究人員逐步分析並標準化每個階段的過程與結果，也提升了裝置的整體發電表現，並更清晰揭示熱與光如何誘導電荷產生、促進離子遷移。 除了發電能力，此技術在耐用性方面亦具明顯優勢。研究人員指出，熱與光會導致水蒸器件退化，而高鹽環境下的藻類問題更會加速此過程。然而，該裝置的鐵納米柱表面覆有氧化物保護層，可在光照與熱作用下維持穩定，從而避免不必要的化學反應，提升器件在海水環境中的可依賴性。
研究團隊表示，若後續迭代優化，這類水蒸裝置未來有望為各類小型、無線感測器網絡提供持續、自主電力支援，只要備有陽光、熱量與水即可運作。潛在應用場景包括環境監測系統、物聯網設備，以及當前與未來的可穿戴技術。研究人員認為，若能實現移動且接近「免費」的取電方式，其帶來的社會價值將難以估量。
