近期，重点实验室段书凯&周广东教授团队在《Nano Energy》（IF=17）上在线发表了题目为“Continuous-energy harvesting from soils based on reversible hydrolysis process for self-power memristor system”的研究论文。
摘要
从海洋、风能、太阳能等自然界中收集能量，为自持系统提供了最有前景的清洁能源之一。通过特殊的材料工程和精巧的结构设计，从纳米/微电子器件到太瓦级能量供应的各种应用已得到显著展示。本文展示了一种由未经任何化学处理的原始土壤制成的简单装置，可以产生连续的电能。这些装置在土壤浸水后能产生约0.5伏的持续电压，功率密度约为0.35微瓦/平方厘米。将多个装置串联或并联可以线性地提高电压和电流，以驱动忆阻器和液晶显示器等电子设备。土壤中由自持水解产生的 H2O 及离子梯度分布产生了流动电势和离子电流。我们的研究结果展示了一种新型的连续能量收集方法，其在材料、结构或环境条件方面的限制比其他可持续技术更少。
研究内容
传统的能量收集技术，如太阳能电池、热电器件和摩擦纳米发电机等，大多对功能材料、器件结构和环境条件有特定要求，这极大地限制了它们的可用性和连续能量输出能力。水作为地球上以气态和液态形式存在的巨大能量储存库，已被证实可以通过水与功能化材料的不同反应机制直接为电子设备供电。本研究提出了一种基于天然土壤的微能量收集装置，其无需化学处理，即可持续发电，并成功驱动忆阻器和液晶显示器等电子器件。
创新点与未来展望
本研究展示了一种从自然土壤中收集持续电能的新颖方法，具有以下创新点：
1. 新型能量来源： 首次证明未经任何化学处理的原始天然土壤可以作为一种可持续的电能来源，利用其内部的可逆水解过程进行能量收集。
2. 持续稳定输出与可扩展性： 该装置能够长时间（超过270小时，持续供水可达100天）稳定输出约0.5V电压和0.35µW/cm²的功率密度，并通过简单的串并联方式实现电压和电流的线性放大，满足不同功率需求。
3. 低限制性与广普适用性： 相较于现有能量收集技术，该方法在材料、结构或环境条件方面具有更少的限制，能适应不同类型的土壤，甚至可使用海水或汗液作为水源。
4. 机制的深入阐明： 通过实验和理论计算相结合，明确提出了基于ZnVOₓ水解、水梯度分布和离子迁移的流动电势与离子电流耦合发电机制，并揭示了其自发可逆性。
5. 实际应用演示： 成功将土壤发电系统应用于驱动数字忆阻器、模拟忆阻器以及液晶显示器等低功耗电子设备，验证了其在自供电忆阻器系统和物联网领域的实际应用潜力。
未来研究方向与改进：
1. 器件结构和材料优化： 进一步优化土壤能量收集装置的结构设计，探索更高效的水传输机制和电极材料，以最大化功率密度和使用寿命。
2. 土壤组分与水解机制的深度解析： 深入研究土壤中除ZnVOₓ之外的其他活性组分及其水解行为，以拓宽应用范围并提升性能。
3. 稳定性和耐久性增强： 针对不同环境条件（如温度、湿度、不同土壤类型）下的长期稳定性进行研究，并开发策略以减缓性能衰退。
4. 规模化能量收集： 探索将该技术应用于更大规模能量收集的方法，例如与农业实践或智能城市基础设施相结合，以实现更高功率的应用。
5. 与物联网和人工智能系统的集成： 进一步开发与特定物联网设备或边缘人工智能应用集成的自供电系统，包括微型化和电源管理电路的设计。