Weak-force energy development and its self-powered environmental purification

地球生态系统存在广泛且低功率无序的分散能量，包括水流弱力、磁力扰动和生物活动等，尚未得到有效开发利用。常规化石能源通过集中发电再分散利用，是低熵能源的高熵利用，而回收转化利用广泛分散的环境弱力，可以将高熵能量直接高熵利用，是能源生产途径和利用方式的重要变革。环境弱力能源按介质可分为固体振动、液体流动和气体扰动，以机械能为表观形式，可以通过材料转化为电能，并应用于地球生态系统的环境净化，具备“能源开发和环境净化”双重效应。新材料和新技术研发是弱力能源转化利用的基础，涵盖了微弱能量捕捉、高效力电转换、电能原位利用三个过程，其中压电和摩擦催化发展迅速，具有巨大的应用和发展前景。压电催化材料中，钛酸钡、氧化锌、锆钛酸盐和聚偏氟乙烯复合薄膜等在机械搅拌或振动作用下发生压电催化反应，实现污染物降解、杀菌和清洁等功能。摩擦催化材料中，氧化锌、硫化铬、钴酸镍等半导体和聚四氟乙烯等高分子材料可发生摩擦催化反应，实现环境净化等功能。弱力能源未来发展中，需要将压电和摩擦电催化过程中的电压和电荷量进一步提升，厘定电场、电荷交换界面和反应物共同作用下的电荷交换行为，实现反应环境与催化材料匹配度提升。在“双碳”目标下，实现弱力能源的高效转化利用，在环境治理和医疗健康等方面具有重要应用价值，是绿色能源发展和宜居地球建设的重要方向。