液滴发电技术能够将水滴运动滴落过程中的机械能转化为电能，在环境能量采集和自供能器件领域具有重要应用潜力。然而，液滴与固体界面相互作用过程中的电荷产生与传输机制仍存在诸多争议，现有物理模型难以对液滴内部流动、界面电荷以及液体有限电导率等因素对发电过程的影响、输出电压的反转等现象进行统一合理解释

近日，清华大学机械工程系高端装备界面科学与技术全国重点实验室研究团队针对液滴发电机理这一关键科学问题，提出了一种基于流动电势（Streaming Potential）效应的液滴发电理论模型，揭示了液滴内部流动诱导电势差在液滴发电过程中的重要贡献。

研究团队设计了一种点电极液滴发电测试装置，通过改变电极的位置，系统研究了液滴铺展行为、界面接触状态以及内部流动对输出电压的影响。实验发现，液滴接触电极瞬间的铺展面积与输出峰值电压之间存在良好的线性关系，这表明液滴铺展过程是影响发电输出的重要因素。然而，在液滴铺展面积相近的情况下，将电极放置在不同位置却会产生显著不同的输出电压，峰值电压最高可产生3倍左右的差异，这说明仅基于铺展面积变化的模型无法完整解释液滴发电过程。

图1. 点电极液滴发电装置及输出电压特性示意图。（a）液滴发电实验装置；（b）典型输出电压波形；（c）电极位置变化对输出电压及液滴铺展面积的影响

基于这些实验发现，研究团队进一步提出液滴发电的流动电势理论模型。提出当液滴沿带电固体表面运动时，液体内部双电层Stern层外的自由电荷会受到液体流动驱动，形成流动电流；由于液体具有有限电导率，流动电流进一步产生沿液滴运动方向的瞬态电势差，从而决定和影响液滴发电的输出电压。该模型综合考虑了液滴内部流场、界面电荷、液体电导率以及电极位置等因素，能够有效描述多种实验测得的输出电压变化规律。

流动电势理论不仅能够解释不同电极位置导致的输出电压差异，还能够揭示长期以来液滴发电中的电压反转现象。研究发现，电压反转并不简单取决于液滴处于铺展还是回缩阶段，而是来源于液滴内部流动、电荷输运以及电极所处位置的流动电势变化之间的动态耦合作用。该模型与实验测得输出电压波形具有良好一致性，为理解液滴发电过程中的多物理场耦合机制提供了新的理论框架。

图2. 基于流动电势效应的液滴发电模型。（a）不同电极位置的电压曲线；（b）固液界面电双层结构与液滴内部流动电势差示意图；（c）模型计算结果与实验输出电压对比

该工作揭示了流动电势在液滴发电中的重要作用，为理解液滴发电机制提供了新的理论视角，并为未来高效率液滴能量采集器件的设计优化提供了重要依据。该研究提出的流动电势模型作为传统液固界面电荷转移机制的补充，有助于进一步完善液滴发电过程中的多物理场耦合理论。

该研究以 “Streaming Potential Effect in Droplet Electricity Generator” 为题，在线发表于Elsevier旗下纳米材料与能源领域的国际学术期刊Nano Energy。论文第一作者为机械系2022级直博生李京洋。通讯作者为田煜教授。马丽然教授、已毕业博士生李远哲共同参与了研究工作。该研究受到国家自然科学基金支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.112249