激发河流汇入大海的力量—新电极系统将为清洁能源带来革命性变化

全球每年约有40万亿吨的河水流入海洋。位于河海交汇点的河口拥有巨大的发电潜力，因为海水和河水的盐份含量不同，两者混合可释放出大量的吉布斯自由能。通过半透膜，可以进一步将其转化为电能。然而，由于半透膜的性能问题，这一方法尚不具备经济可行性，使得这种天然、丰富的清洁能源无法被有效地开发利用。

为克服现有膜技术带来的挑战，研究人员开发了无膜技术。他们并不使用半透膜在盐水和淡水之间建立可以形成“盐度差”边界，而是直接在电容性电极的纳米孔中混合盐水和淡水。这种混合方法可以引发在固体电极与电解质界面（在这种情况下为孔的表面）自发形成的双电层（EDL）的结构性变化。在将淡水注入充满海水的孔隙后，孔隙中的盐浓度会降低，使双电层膨胀，其效果与平行板电容器两个极板相互远离别无二致。于是，导致这种膨胀的吉布斯自由能将会被转换为储存在双电层中的电能。然而，现有电极系统过低的表面电荷始终是无膜技术需要攻克的主要挑战。因此，将其作为有膜技术的替代品并产生效益仍然仅仅是一种设想。

最近，得克萨斯农工大学柯柏斯克里斯提分校、夏威夷大学和北京纳米能源与系统研究所携手合作，共同开发了一种新的电极系统。在将该电极系统浸没在电解质溶液后，其可表现出更高水平的表面电荷。在以多种方式处理多孔活性炭材料表面后，研究人员能够通过将官能团（可诱发相反表面电荷）附着到材料表面的方式，修改材料表面的分子结构。特别是，在浸入氯化钠溶液后，一个电极上的表面官能团会各自失去一个氢原子，而另一个电极上的表面官能团则各自获得一个氢原子，形成带相反电荷的电极。相反的电荷增加了储存在双电层中的静电能，可使更多的吉布斯自由能转化为电能。在正常的海水和淡水条件下，这种新的电极系统可以使现有电容系统的面积功率密度增加两倍。该电极系统原型装置的体积功率密度与膜技术的相当，甚至更高。令人惊讶的是，在超过5万次充电/放电循环后，该系统仍然可以保持90%的容量，因此更具经济竞争力。

研究人员相信，这一方法仍有很大的发展空间。借助这一技术突破，我们将有望构建更为切实、更具经济可行性的解决方案，充分利用这一丰富的可再生能源。