納米水伏發(fā)電材料研究應(yīng)用案例

一、案例項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1. 項(xiàng)目背景

隨著全球能源需求日益增長(zhǎng)同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，傳統(tǒng)化學(xué)能發(fā)電已逐漸不適應(yīng)當(dāng)代社會(huì)的復(fù)雜要求。同時(shí)能源的需求和應(yīng)用領(lǐng)域也越發(fā)多樣化，基于這些現(xiàn)實(shí)需求，云南某大學(xué)的張博士為解決這些問(wèn)題，他以新材料為切入點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注新材料的發(fā)電研究：基于納米材料的水伏發(fā)電及其發(fā)電性能。希望以此為突破點(diǎn)，推動(dòng)新能源發(fā)展以及促進(jìn)能源多樣化供應(yīng)。

2. 項(xiàng)目痛難點(diǎn)

（1） 研究納米材料種類多樣

（2） 多種納米材料需要在同一測(cè)試條件下進(jìn)行發(fā)電性能比對(duì)

（3） 確定納米材料發(fā)電功率及最佳發(fā)電條件

二、納米材料發(fā)電及納米材料水伏發(fā)電

1. 納米材料發(fā)電種類

納米技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)走入人們的日常生活中，各種納米材料目前在世界范圍 內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。納米器件擁有尺寸小、功耗低、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，但納米器件的運(yùn)行必須 有電池和集成電路的支持，目前無(wú)法達(dá)到絕對(duì)意義上的最小化。為解決這一問(wèn)題，院士王中林教 授2006年首次提出納米發(fā)電機(jī)的理念，使納米發(fā)電機(jī)的研究成為微型能源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)， 進(jìn)而開(kāi)辟了納米材料發(fā)電這一新興的學(xué)科領(lǐng)域。納米材料發(fā)電目前有幾種技術(shù)路線：

（1） 納米壓電發(fā)電

納米壓電電子學(xué)原理是利用原子力顯微鏡探針，壓迫氧化鋅納 米線產(chǎn)生彎曲，使鋅離子和氧離子產(chǎn)生了電勢(shì)能并形成電流。 在此基礎(chǔ)上，選用兼具壓電效應(yīng)和半導(dǎo)體效應(yīng)的氧化鋅，利用 納米線、納米薄膜等材料的結(jié)構(gòu)特性，成功發(fā)明了納米發(fā)電 機(jī)，實(shí)現(xiàn)了將周圍環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的目標(biāo)。另外， 利用超聲波等其他方式，也可為納米壓電材料提供機(jī)械能。

（2） 納米熱釋電發(fā)電

利熱釋電（Pyroelectric）納米發(fā)電機(jī)是一種能量收集裝置，它能 夠利用納米結(jié)構(gòu)的熱釋電材料把外界的熱能轉(zhuǎn)換成電能。通 常，熱能的收集主要依靠器件兩端的溫差驅(qū)動(dòng)載流子擴(kuò)散的塞 貝克效應(yīng)。

（3） 納米靜電摩擦發(fā)電

利用日常生活中摩擦起電這種靜電現(xiàn)象，可產(chǎn)生足夠的能量。而采用納米技術(shù)來(lái)制造特定材質(zhì)的兩種摩擦表面，還可以使摩擦有效面積擴(kuò)大，從而提供更強(qiáng)的摩擦并轉(zhuǎn)換出比壓電效應(yīng)更

（4）納米水伏發(fā)電

通過(guò)納米結(jié)構(gòu)與水的流動(dòng)、波動(dòng)、滴落和蒸發(fā)直接相互作用來(lái)發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)，被稱為水伏效應(yīng)（hydrovoltaic effect），也稱納米水伏發(fā)電，這種效應(yīng)為解決柔性傳感系統(tǒng)的能源可持續(xù)供給提供了新思路。

2. 納米材料水伏發(fā)電

地球表面70％以上都被天然水體覆蓋，是含量最豐富的資源之一。無(wú)論地理位置或環(huán)境條件如何改變，天然水都可以通過(guò)吸收熱能而自發(fā)地流動(dòng)和蒸發(fā)。通過(guò)納米結(jié)構(gòu)與水的流動(dòng)、波動(dòng)、滴落和蒸發(fā)直接相互作用來(lái)發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)，被稱為水伏效應(yīng)（hydrovoltaic effect），這種效應(yīng)為解決柔性傳感系統(tǒng)的能源可持續(xù)供給提供了新思路。然而，如何在變形條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電和高輸出功率，并實(shí)現(xiàn)輕量化、柔性化可穿戴傳感微系統(tǒng)依然面臨很多挑戰(zhàn)。以上為水伏發(fā)電的幾個(gè)技術(shù)路徑：

（1） 水滴注入電荷納米發(fā)電

（2） 水流機(jī)械通過(guò)納米材料

（3） 水汽蒸騰納米發(fā)電

三、方案說(shuō)明

1. 測(cè)試要求

（1） 實(shí)時(shí)測(cè)試多種納米材料在同一水條件下的發(fā)電情況

（2） 不同納米材料的發(fā)電條件不同，并需要數(shù)據(jù)記錄

（3） IV曲線掃描

2. 測(cè)試方案結(jié)構(gòu)

方案一、單通道納米水伏發(fā)電測(cè)試

方案二、多通道水伏發(fā)電納米材料分選

3. 測(cè)試原理及指標(biāo)

蒸騰驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)：在含有炭黑涂層的不對(duì)稱濕棉布上，由毛細(xì)流動(dòng)的水驅(qū)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，可產(chǎn)生最 大電壓0.53 V， 最大電流3.91μA，最大能量密度1.14 mWh cm3。由多個(gè)蒸騰驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組 裝產(chǎn) 生的能量，足以點(diǎn)亮一個(gè)20 mA×2.2 V的發(fā)光二極管，或?yàn)橐粋€(gè)1 F容量的超級(jí)電容器充電。

不同液體對(duì)蒸騰納米驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的

（A） 各種類型和極性的液體對(duì)蒸騰納米發(fā)電機(jī)的VOC的影響

（B） 不同陽(yáng)離子大小的鹽溶液在不同條件下對(duì)TEPG的VOC的影響，

（C） 不同pH值的鹽酸溶液下，測(cè)試出VOC的值，

（D） 濕碳與干碳電位差及電流流向示意圖，

（E） 濕/干界面擬流行為和電流產(chǎn)生的機(jī)理示意圖，

（F） 蒸騰納米發(fā)電機(jī)的蒸發(fā)和吸附示意圖

4. 掃描及圖示

（A） TEPG運(yùn)行示意圖

（B） （B）測(cè)量TEPG的VOC、ISC和電阻分布

（C） （D） （E） （F）為不同情況下，測(cè)量VOC的分布情況

5. 選型依據(jù)

以量程及最小測(cè)量精度為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)支持等效電阻測(cè)試。

責(zé)任編輯：tzh