郭万林院士和张助华教授揭秘低维材料与水滴/波浪相互作用产生电势的机理，为提高水伏效应器件效率提供理论依据。
水伏效应即通过功能材料与水的相互作用将水分子的动能直接转化为电能输出的现象。利用该效应，可以从波浪、雨滴、水蒸发、湿度等形式的水中捕获能量，为水能利用开辟了全新的途径。水滴发电是最早被发现的水伏效应之一。最初的实验发现，当水滴在基底支撑的单层石墨烯上运动时，在石墨烯沿水滴运动方向的两端会产生毫伏级的电压，相关现象被称为拖曳势。当水在这样的单层石墨烯表面上下波动时，石墨烯的上下两端同样能够输出高达亚伏级的电压，相应现象称为波动势。深入认识拖曳势和波动势的机理是进一步提升能量转换效率，优化发电器件性能的基础。最初，研究人员针对拖曳势和波动势，提出了气-固-液界面处的双电层动态边界驱动石墨烯中电子定向运动的发电机制。随后的实验发现，基底表面电荷是影响石墨烯电能输出的重要因素，并通过改变基底表面电荷密度实现了输出电压超过一个量级的提升。然而，在水溶液/石墨烯/带电基底体系中，人们对溶液中的离子，石墨烯中的电子和基底上的电荷三者之间的微观相互作用还缺乏深入的理解，导致进一步的实验缺乏理论指导。最近，南京航空航天大学张助华教授和郭万林院士课题组围绕这一问题开展了多尺度的理论研究。该工作发表在Science China Materials上（DOI：10.1007/s40843-020-1615-x）。由于石墨烯只有单原子的厚度，溶液中的离子能够隔着石墨烯与基底电荷产生库伦相互作用。基底电荷能将溶液中带相反电荷的离子吸引到石墨烯表面，并在其表面附近形成“双电层”。同时，石墨烯中的电子会在基底电荷和双电层的影响下重新分布，形成镜像电荷层。这样，在溶液/石墨烯/带电基底的界面处形成了“三电层”结构。当水滴在石墨烯表面运动时，“三电层”持续在水滴的前端形成，而在后端消失。石墨烯中的电子在“三电层”边界持续移动下产生反向运动，从而形成了电流。波动势的机理与之类似，只不过这种情况下“三电层”只有一个边界在持续运动。
