面向水伏器件优化的盐度依赖界面现象

多孔或纳米结构材料中蒸发驱动的流体流动近期为可再生能源发电开辟了新范式。尽管取得近期进展，关于支配这些所谓水伏（hydrovoltaic，HV）器件的界面现象仍存在重大基础问题。加之缺乏建模工具，这限制了这一新兴技术的性能与应用范围。通过利用有序硅纳米柱（NP）阵列并开发定量多物理场模型以研究其在大参数空间下的 HV 响应，本工作揭示了表面电荷、液体性质与几何参数（包括此前未探索的电动相互作用）的复杂 interplay。值得注意的是，我们发现离子浓度依赖的表面电荷与离子迁移率共同决定了开路电压中的多个局部极大值，其最优条件偏离传统的低浓度预期。此外，通过评估高达摩尔浓度的 HV 响应，我们为多种一价阳离子提供了离子吸附与电荷反转的独特证据。该效应有趣地使得 HV 器件即便在如此高浓度下也能工作。最后，我们强调除电动参数外，器件结构中的几何不对称性会产生增强 HV 性能的静电势。总体而言，介于单纳米通道研究与宏观多孔系统表征之间的本工作表明，蒸发驱动的 HV 器件可在宽盐度范围内工作，其最优操作条件由不同的界面现象决定。因此它为提升蒸发驱动 HV 器件性能提供了关键见解与设计工具，并使其在自然与处理水的盐度尺度上具备更广适用性。