一杯平平無奇的鹽水也可以發電嗎？
或許你聯想到了鹽水導電實驗：把連接燈泡的導線插入鹽水中，燈泡就能被點亮。
但點亮的前提是燈泡要與外部電源（如電池）接通。燈亮是因為外部電源提供的電能，鹽水只負責傳導電能。
近日，中科院理化技術研究所郭維研究員團隊找到了用一杯鹽水發電的方法。
要理解他們的工作成果，我們首先要知道電能，或者更具體地說是電流，產生的原因。
其一，要有電子。其二，這些電子要依照一個特定的方向整齊移動。“各自為戰”、“不聽指揮”地瞎跑是不行的。
其實這第一條「電子」可以被拓展為更普遍的概念：「帶電粒子」。
（氯化鈉鹽溶液中存在大量Na+陽離子和Cl–陰離子）
所以，要讓鹽水產電，就得想辦法讓鹽水中的離子發生定向移動。
作者們找到的誘導離子定向遷移的驅動力是光能。
他們利用了半導體的特點——在光照下能產生帶正電的空穴和帶負電的電子。
如果能將正電性的空穴聚集在膜一側，將負電性的電子聚集在膜另一側，那么膜兩側因為極性不同，會在半導體內部產生一個從空穴側指向電子側的內部電場。
（半導體被光照后產生電子與空穴，二者分離、表面富集后產生內部電場。）
有了電場，如果離子還能從該半導體膜內通過，那離子的定向遷移就實現了，也就能產電了。
作者們制備如上所述的半導體膜的方法其實很便捷——抽濾。
具體來說，先分別制備WS2和MoS2納米片，然后將它們分別抽濾成膜。最后將兩張膜疊在一起，再抽濾，形成WS2/MoS2的雙層膜。
由于這種膜兩面化學組分不同，類似羅馬神話里長著前后兩張不同臉的兩面神「Janus」，所以又被稱為Janus膜。
（WS2/MoS2半導體Janus膜制備流程與Janus神頭像。圖源：流程圖 – Adv. Mater.；Janus圖 – Pinterest）
WS2和MoS2均是半導體，在光照下可以產生空穴與電子。此外，WS2和MoS2納米片之間存在縫隙，允許離子過膜。
（WS2/MoS2半導體Janus膜形貌及其元素分布。圖源：Adv. Mater.）
當一定能量的光照射在膜兩側時，WS2和MoS2將產生空穴與電子。
由于二者的電子能帶位置不同，形成了II型異質結，使得WS2和MoS2中的電子能夠逐漸累積在MoS2面上，而空穴逐漸累積到WS2面上。
空穴與電子分離、聚集后，Janus膜內部便形成了從WS2指向MoS2的電場。
理論上鹽水中的陽離子可從WS2側移向MoS2側，陰離子從MoS2側轉移到WS2側來。
但因為兩種納米片對陰離子排斥力很大，且WS2和MoS2納米片層間距只有大約8 ?左右，所以只有陽離子能穿過Janus膜到達另一側。
（WS2/MoS2半導體Janus膜光照下內部電場產生原理與離子電流、電壓變化曲線。圖源：Adv. Mater.）
因此，陽離子發生定向遷移，鹽水就產電了。這樣由離子遷移產生的電流被稱為離子電流（ionic current）。
通過改變Janus膜兩面的半導體材料（能形成II型異質結），溶液濃度和pH值，可以調控膜兩側的表面性質，進而改變離子電流和離子能量大小。
在接近日光強度照射下（94.1 mW/cm2），WS2/MoS2 Janus膜在10-3 M KCl水溶液中能夠產生~21 μA/cm2的最大離子電流，~45 mV最大電壓。單位光照面積產生的最大功率接近2 mW。
（測試實驗裝置示意圖與最大功率Pmax、短路電流Isc、開路電壓Voc隨KCl濃度變化。圖源：Adv. Mater.）
將KCl換成其他鹽，這張Janus膜同樣能夠產電。
雖然這些產能數值還遠遠達不到日常需求電能的數量級，但本項工作為太陽能產電提供了一條新途徑。
以往利用溶液發電往往需要兩杯鹽濃度不同的溶液，即「濃差發電」。但這項工作僅依靠一杯濃度特定的溶液和陽光就能達到同樣產電的結果，更為便捷。
所以這項技術突破登上了材料科學頂級期刊Advanced Materials。
或許，當我們能夠制備穩定、大尺寸的半導體Janus膜時，日常生活中的鹽水也能成為手機充電器。
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