一杯平平无奇的盐水也可以发电吗？
或许你联想到了盐水导电实验：把连接灯泡的导线插入盐水中，灯泡就能被点亮。
但点亮的前提是灯泡要与外部电源（如电池）接通。灯亮是因为外部电源提供的电能，盐水只负责传导电能。
近日，中科院理化技术研究所郭维研究员团队找到了用一杯盐水发电的方法。
要理解他们的工作成果，我们首先要知道电能，或者更具体地说是电流，产生的原因。
其一，要有电子。其二，这些电子要依照一个特定的方向整齐移动。“各自为战”、“不听指挥”地瞎跑是不行的。
其实这第一条「电子」可以被拓展为更普遍的概念：「带电粒子」。
（氯化钠盐溶液中存在大量Na+阳离子和Cl–阴离子）
所以，要让盐水产电，就得想办法让盐水中的离子发生定向移动。
作者们找到的诱导离子定向迁移的驱动力是光能。
他们利用了半导体的特点——在光照下能产生带正电的空穴和带负电的电子。
如果能将正电性的空穴聚集在膜一侧，将负电性的电子聚集在膜另一侧，那么膜两侧因为极性不同，会在半导体内部产生一个从空穴侧指向电子侧的内部电场。
（半导体被光照后产生电子与空穴，二者分离、表面富集后产生内部电场。）
有了电场，如果离子还能从该半导体膜内通过，那离子的定向迁移就实现了，也就能产电了。
作者们制备如上所述的半导体膜的方法其实很便捷——抽滤。
具体来说，先分别制备WS2和MoS2纳米片，然后将它们分别抽滤成膜。最后将两张膜叠在一起，再抽滤，形成WS2/MoS2的双层膜。
由于这种膜两面化学组分不同，类似罗马神话里长着前后两张不同脸的两面神「Janus」，所以又被称为Janus膜。
（WS2/MoS2半导体Janus膜制备流程与Janus神头像。图源：流程图 – Adv. Mater.；Janus图 – Pinterest）
WS2和MoS2均是半导体，在光照下可以产生空穴与电子。此外，WS2和MoS2纳米片之间存在缝隙，允许离子过膜。
（WS2/MoS2半导体Janus膜形貌及其元素分布。图源：Adv. Mater.）
当一定能量的光照射在膜两侧时，WS2和MoS2将产生空穴与电子。
由于二者的电子能带位置不同，形成了II型异质结，使得WS2和MoS2中的电子能够逐渐累积在MoS2面上，而空穴逐渐累积到WS2面上。
空穴与电子分离、聚集后，Janus膜内部便形成了从WS2指向MoS2的电场。
理论上盐水中的阳离子可从WS2侧移向MoS2侧，阴离子从MoS2侧转移到WS2侧来。
但因为两种纳米片对阴离子排斥力很大，且WS2和MoS2纳米片层间距只有大约8 Å左右，所以只有阳离子能穿过Janus膜到达另一侧。
（WS2/MoS2半导体Janus膜光照下内部电场产生原理与离子电流、电压变化曲线。图源：Adv. Mater.）
因此，阳离子发生定向迁移，盐水就产电了。这样由离子迁移产生的电流被称为离子电流（ionic current）。
通过改变Janus膜两面的半导体材料（能形成II型异质结），溶液浓度和pH值，可以调控膜两侧的表面性质，进而改变离子电流和离子能量大小。
在接近日光强度照射下（94.1 mW/cm2），WS2/MoS2 Janus膜在10-3 M KCl水溶液中能够产生~21 µA/cm2的最大离子电流，~45 mV最大电压。单位光照面积产生的最大功率接近2 mW。
（测试实验装置示意图与最大功率Pmax、短路电流Isc、开路电压Voc随KCl浓度变化。图源：Adv. Mater.）
将KCl换成其他盐，这张Janus膜同样能够产电。
虽然这些产能数值还远远达不到日常需求电能的数量级，但本项工作为太阳能产电提供了一条新途径。
以往利用溶液发电往往需要两杯盐浓度不同的溶液，即「浓差发电」。但这项工作仅依靠一杯浓度特定的溶液和阳光就能达到同样产电的结果，更为便捷。
所以这项技术突破登上了材料科学顶级期刊Advanced Materials。
或许，当我们能够制备稳定、大尺寸的半导体Janus膜时，日常生活中的盐水也能成为手机充电器。
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