《Joule》：自推进三相界面发电机，传统火力发电的有益补充

研究背景

火力发电仍然是经济发展的基石。然而，火电厂近50%的热能以低品位废热的形式损失。此外，火电厂以水为工质，通过朗肯循环转化热能，但冷却塔排放的水蒸气作为副产品却被严重忽视。低品位废热和水蒸气资源作为火电厂热循环中损失的主要能量流，已成为制约火电机组效率提升和能源系统集约化发展的关键瓶颈。协调利用火电厂的低品位废热和水蒸气资源对于提高火电厂的整体效率至关重要。在废热利用方面，有机朗肯循环作为一种广泛应用的工业解决方案，受到高昂的资本投入和运行维护成本的限制。对于水能回收，近年来，蒸发诱导发电机、湿气发电机等新兴技术展现出巨大的潜力。这些发电技术主要依赖于固液界面处离子或电子的转移，从而促进水能转化为电能。但火电厂中常见的莱顿弗罗斯特效应会抑制固液界面的形成，导致上述水能收集技术无法有效地从界面转换能量。因此，开发一种能够协同利用火电厂低品位热能和水蒸气资源的能量转换技术具有重要的研究和应用价值。

研究内容

这项工作受到莱顿弗罗斯特液滴具有的不规则、低摩擦和长寿命的自发运动的启发，本文提出了一种基于亚稳态莱顿弗罗斯特效应的协同能量收集装置（MLE-SEHD）。在低品位热源下，棘轮结构表面的莱顿弗罗斯特效应偏离稳定状态，从而在液滴和棘轮之间形成连续的动态固-液-气三相界面。利用湍流气体产生的粘性剪切力驱动液滴进行能量转换，可以实现液滴的连续运动。动态三相界面促进的连续固液接触，为动态非对称双电层发电（DAE发电）和水系一次电池发电（APB发电）提供了平台，从而将两种发电模式耦合起来。单个30 μL液滴即可连续产生超过100个直流脉冲信号。三相界面的耦合效应显著提高了DAE发电的电压和APB发电的电流，使其峰值电压达到1.552 V，峰值电流密度达到21.8 A m^-2。此外，结合仿生雾收集结构，构建了一种基于亚稳态莱顿弗罗斯特效应（MLE-SEHS）的协同能量收集系统，用于收集低品位热能和水蒸气。

创新点

1.突破莱顿弗罗斯特界面工程障碍：从根本上打破了莱顿弗罗斯特效应作为传热障碍的传统认知，利用亚稳态莱顿弗罗斯特效应构建动态固液气三相界面，耦合了两种发电方式。

2.高性能自推进式发电：利用水相变引起的气体湍流产生的粘性剪切力实现液滴的自驱动运动，无需外部机械驱动。单个30 μL液滴即可产生超过100个直流脉冲，优化后峰值电压可达1.552 V，峰值电流密度可达21.8 A m^-2。

3.多资源协同利用回收系统：集成仿生水蒸气收集器，建立了一个水循环协同能量转换回路（冷凝-液滴输送-发电），用于同时利用废热和水蒸气。使得该系统成为传统火力发电的有益补充。

图文导读

图1 基于亚稳态莱顿弗罗斯特效应的协同能量收集装置

图2 动态不对称双电层发电和一次原电池发电的机制和影响因素

图3 耦合发电的原理和性能

图4 MLE-SEHD的性能表征

图6 通过MLE-SEHD实现废热和水蒸气的协同利用

文献信息：

Peng, C., Yang, Z., Zhou, L. et al. Self-propelled generator for low-grade heat harvesting via metastable Leidenfrost effect, Joule (2026).

https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(26)00004-8

**作者：

程鹏

中国科学院大学纳米科学与技术专业2023级直博生，主要研究方向为低品位、分布式能量的新型收集技术，及纳米发电机的生物医学工程应用。

通讯作者：

邹洋

清华大学医学院/北京清华长庚医院健康科技研发中心副研究员，研究方向主要为仿生型电子器件、新型能量收集技术、生物医学传感器、智能可穿戴系统等，以**/通讯作者在 Joule, Nature Communications, InfoMat, Advanced Functional Materials, Advanced Science 等国际期刊发表论文20余篇（含1篇ESI热点论文），总引用逾7600次，H指数35。核心成果聚焦临床转化，申请中国/国际PCT专利10余项（3项为**发明人），主持国家自然科学青年基金，中国博士后科学基金，入选第七批博士后创新人才支持计划。获得北京市科学技术奖二等奖，中国材料大会医药智能材料与技术青年论坛一等奖，中国生物医学工程大会暨创新医疗峰会青年学者优秀论文竞赛一等奖、中国科协“北京地区广受关注学术论文”等荣誉奖励。担任中国老年保健医学研究会理事，Micro期刊编委，以及Nano-Micro Letters、Nano energy、Biosensors and Bioelectronics等期刊审稿人。

李舟

清华大学附属北京清华长庚医院健康科技研发中心主任、清华大学生物医学工程学院长聘副教授、博士生导师，并担任中草药中精神活性物质发现与防控北京市重点实验室副主任。李舟教授主要从事微纳生物电子器件和医疗器件的创新研究，包括健康监护与治疗的植入式/穿戴式微纳电子医疗器件、高灵敏生物传感器、可降解电子器件、生物活性材料与生物力学等，在国际上率先提出人体自供能生物电子器件，获北京市科学技术二等奖，已在心脏起搏器上开展技术转化。

在Nature Biomedical Engineering, Nature Reviews Cardiology, Joule, Cell Biomaterials, Science Advances, Nature Communications等期刊上共发表论文300余篇，3篇ESI前1‰热点文章和31篇ESI前1%高被引论文，被引用超25000次。论文数、H指数、被引次数等排名全球前1%，并连续入选科睿唯安全球高被引科学家和全球前2%顶尖科学家榜单。

李舟教授担任 Micro、Science Bulletin (IF18.8)、MedMat、Smart Materials in Medicine、Advanced Science、Frontiers in Chemistry、Advanced Functional Materials、InfoMat和Materials等多个学术期刊的主编、副主编、编委和客座主编。获国家杰青、北京市杰青、国家万人青拔、教育部新世纪、北京市青拔和北京市科技新星，并主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、新曦颠覆式技术创新基金、中科院先导专项、北京市重点项目、北京市自然科学基金-海淀原始创新基金重点项目和华为技术合作项目等多项基金课题。

课题组主页：http://www.nanobiolab.cn/

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