水滴はこのように電気を生み出すことができるのです！水力発電技術の新しいモデルを解き放つ

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

電気の発明は間違いなく大きな革命です。エジソンが発明した電球から、今日利用できるさまざまな電子機器に至るまで、電気の出現は暗い夜を照らすだけでなく、産業、技術、さらには社会全体の急速な発展を促進しました。では、私たちが日々の生活で使う電気はどこから来るのかご存知ですか?

光る電球

（写真提供：veerフォトギャラリー）

人類は歴史を通じて、環境から電気を得るためにあらゆる方法を試みてきました。また、科学技術の進歩とともに、発電技術もますます多様化してきました。現在、主な電力源としては、火力発電、水力発電、太陽光発電、風力発電、原子力発電、太陽熱発電などがあります。

火力発電は現在、主要な発電方法の一つであり、世界の電力の半分以上が火力発電から供給されています。火力発電は、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料の燃焼によって発生する熱エネルギーを利用して電気を生み出します。燃料はボイラー内で燃焼し、水を加熱して蒸気を発生させます。蒸気圧によってタービンが回転し、発電機が駆動して発電し、化学エネルギー-熱エネルギー-機械エネルギー-電気エネルギーの変換を実現します。

水力発電の原理は水位の差を利用することです。水が高いところから低いところへ流れると、位置エネルギーはタービンを通して機械エネルギーに変換され、最終的に機械エネルギーは発電機によって電気エネルギーに変換されます。水力発電はクリーンかつ再生可能なエネルギーです。

水力発電所ダム

（写真提供：veerフォトギャラリー）

太陽光発電は、半導体材料の光電効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電方法です。太陽光が太陽電池パネルに当たると、光子が半導体内の電子を励起し、電流が発生します。太陽光発電は環境に優しく、騒音がなく、持続可能であるという利点があります。近年急速に発展している再生可能エネルギー技術です。

風力発電は、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する方法です。風力タービンのブレードは風の作用で回転し、回転速度が増速機によって増加され、それによって発電機が駆動されて電気を生成します。風力発電はクリーンかつ再生可能なエネルギー利用方法であり、その資源は広く分散しています。

再生可能エネルギー発電

（写真提供：veerフォトギャラリー）

原子力発電のエネルギー源は核分裂または核融合です。現在、商業用原子力発電は主に核分裂反応に基づいており、大量の熱エネルギーを放出し、その熱エネルギーを使って水を加熱して蒸気を生成し、タービンを駆動して発電します。原子力発電はエネルギー密度が高く、汚染が少ないという利点があるが、安全上のリスクや技術的な難しさもある。

太陽熱発電は太陽光発電とは原理が異なり、太陽の放射エネルギーを利用します。太陽放射エネルギーは集熱器を通して熱エネルギーに変換され、媒体を加熱するために使用され、蒸気タービン発電機を駆動して電気を生成します。太陽熱発電は、強力なエネルギー貯蔵能力と安定した発電という利点があります。

ミクロの世界で水力発電技術を探る

水力発電は近年注目されているクリーンエネルギー発電技術です。水力発電は、従来の水力発電とは異なり、ミクロの世界における機能性材料と水滴、水蒸気、大気中の湿度などの相互作用を利用して発電し、水のエネルギーを直接電気に変換します。

葉っぱの上の水滴

（写真提供：veerフォトギャラリー）

ナノマテリアルの急速な発展により、水力発電技術はますます多様化しています。例えば、グラフェン素材を液体から取り出すと、グラフェン素材が水面を通過する際に電界が発生し、外界への放電を実現します。

また、ナノ材料（多孔質炭素膜、多孔質銅酸化物ナノワイヤ膜など）の片面に水滴を落とすと、毛細管現象により水滴が材料の反対側に流れ、水滴が流れる際に電気エネルギーが出力されます。

従来の水滴発電装置は、材料の表面が完全に濡れると発電能力が失われ、発電時間は数分間しか維持できないため、実際の応用には大きな制限があります。では、伝統を打ち破り、水滴発電装置の稼働時間を延ばすことは可能でしょうか?

新たな水滴発電材料を開発

2024年7月15日、中国の科学者らは、二次元ナノチャネルにおける上流陽子拡散による電気エネルギー生成に関する研究論文をネイチャー・ナノテクノロジー誌に発表した。この技術は、イオンの移動方向が水の流れの方向と一致するという従来の水滴発電のパターンを打ち破り、水滴発電の効率と持続時間を向上させます。

研究結果はネイチャーナノテクノロジー誌に掲載された。

(画像出典: Nature Nanotechnology 誌)

研究者らは、真空濾過技術を用いてMXene（Ti3C2Tx）とPVA（ポリビニルアルコール）の混合溶液を濾過し、濾液を空気中に置いて乾燥させ、最終的にMXene/PVA複合膜（MPCF）を得た。複合膜と電極が組み合わさって水滴発電装置を形成します。

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MXeneは、新興の 2 次元ナノマテリアルです。このタイプの材料は、遷移金属（チタン、バナジウム、ジルコニウムなど）と非金属元素（炭素、窒素）で構成されています。グラフェンと同様に、シートが積み重ねられた層状の三次元構造をしています。 MXeneは優れた導電性を有しており、センサーや電磁シールドなどの分野で広く使用されています。

PVAは一般的に使用されている高分子ポリマーで、中国語名はポリビニルアルコールで、通常は接着剤やカプセル化剤として使用されます。私たちが日常生活で使用している木工用接着剤や固形のりスティックには、ポリビニルアルコールが多量に含まれています。

a. MPCF デバイスの動作原理とチャネル構造の概略図。 b.高角度環状暗視野走査型電子顕微鏡画像。紀元前時間の経過に伴う電圧と電流の変化のグラフ。 d.発電装置の性能比較例。水滴の位置と発電電圧の関係を示すグラフ。

（画像出典：参考1）

水滴発電におけるMXene/PVA複合フィルムの役割を明らかにするために、研究者らはその構造を特徴づけた。結果は、複合フィルム内のMXeneナノシートがPVAで包まれ、整然とした層状ナノ構造に積み重ねられ、その中に水滴とイオンの移動経路となるいくつかのチャネルがあることを示しました。

さらに、複合膜のナノチャネルには、酸素含有官能基（有機分子内に存在する、有機物の化学的性質を決定する特定の原子または原子団）が多数含まれています。酸素含有官能基は水と反応して大量の陽子を生成し、水滴発電プロセスにおいて重要な役割を果たします。

MXene/PVA 複合フィルムはどのようにして電気を生成するのでしょうか?

研究者らは、複合膜の左右に2つの白金電極を挿入して、MXene/PVA複合膜に基づく水滴発電デバイスモデルを形成し、分子動力学シミュレーション法を使用して、水滴と複合膜の相互作用と発電の原理を明らかにしました。

複合膜と左電極の接続部に水滴が落ちると、毛細管浸透により、水滴は複合膜内の細孔に入り、左から右への「水の流れ」を形成します。

複合膜の内部チャネル内の水分子が酸素含有官能基と反応してプロトンを生成し、チャネル内のプロトン濃度が増加し、水滴とのプロトン濃度差が生じます。この濃度差により、プロトンは濃度の低い上流の水滴に向かって移動し、その結果、左の電極に多数のプロトンが集まり、左の電極の電位が右側の電極の電位よりも高くなります。 2 つの電極をワイヤで接続すると、電子が右側の電極から左側の電極に伝導され、電流が発生します。

a. MPCF発電原理の模式図。 b.分子動力学シミュレーションプロセス。紀元前時間の経過に伴う陽子数の変化。 d. MPCF 内の水とプロトン濃度の分布。 e.時間の経過に伴う陽子濃度の変化。

（画像出典：参考1）

実験テストの結果、複合膜に5マイクロリットルの水を滴下すると400ミリボルトを超える電圧が発生し、330分後も電圧は300ミリボルト以上に維持されることが分かりました。水滴の体積が10μl、20μl、30μlに増加すると、発電時間はそれぞれ500分、630分、830分に延長できます。

応募の見通し

MXene/PVA 複合フィルムは、厚さが薄く、構造が安定しているという利点があります。統合されたマイクロ発電装置の容積は 0.1 立方センチメートル未満であり、小型化された自己発電システムでは非常に価値があります。

スポーツブレスレット

（写真提供：veerフォトギャラリー）

この複合フィルムを組み込んだ水滴発電装置は、衣類に組み込むことができます。ユーザーが20分間運動すると、発電装置が吸収した水分によって約350ミリボルトの電圧と約2マイクロアンペアの電流が発生し、20分間持続します。人間の汗（塩化ナトリウムを含む）を利用して発電すると、水滴発電装置の電力供給時間を30日間まで延長できます。

水滴で動くブレスレットを身に着けていたら、バッテリー寿命を心配する必要がなくなると想像してみてください。運動していないときでも、水を数滴落としたり、周囲の水分を吸収したりすることで充電できます。これは私たちの生活に便利さをもたらすだけでなく、電力を節約するという目的も達成します。

結論

科学技術の進歩と革新により、人類は天然資源から持続可能なエネルギーへの変革を徐々に実現しつつあります。私たちも力を合わせて、探求と実践を前進させ、水力発電技術が夢から現実へと移り変わる輝かしい瞬間を共に目撃しましょう。

参考文献:

1.Xia、H.、Zhou、W.、Qu、X. 他。 2次元ナノチャネル内の上流プロトン拡散によって生成される電気[J]。ナット。ナノテクノロジー、2024年。

2. Xu、W.、Zheng、H.、Liu、Y. 他。瞬間電力密度の高い液滴型発電機[J]。ネイチャー、2020年。

3. Feng Sijia、Li Lianhui、Liu Mengyuan 他。編組可能な柔軟な繊維形状の水力ナノ発電機[J]。サイエンスチャイナ：テクノロジーサイエンス、2022年。

4. 張継軍、張普。水力誘導発電技術と航行標識への応用計画[J]。中国海洋局、2020年。