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一粒金砂(初级)

S型源表之纳米水伏发电材料研究 [复制链接]

​一、案例项目简介

1.项目背景

随着全球能源需求日益增长同时对环境保护的重视,传统化学能发电已逐渐不适应当代社会的复杂要求。同时能源的需求和应用领域也越发多样化,基于这些现实需求,云南某大学的张博士为解决这些问题,他以新材料为切入点,重点关注新材料的发电研究:基于纳米材料的水伏发电及其发电性能。希望以此为突破点,推动新能源发展以及促进能源多样化供应。

2.项目痛难点

(1) 研究纳米材料种类多样;

(2) 多种纳米材料需要在同一测试条件下进行发电性能比对;

(3) 确定纳米材料发电功率及最佳发电条件;

二、纳米材料发电及纳米材料水伏发电

1.纳米材料发电种类

纳米技术经历了几十年的发展,现在已经走入人们的日常生活中,各种纳米材料目前在世界范围 内得到了广泛的应用。纳米器件拥有尺寸小、功耗低、反应灵敏等特点,但纳米器件的运行必须 有电池和集成电路的支持,目前无法达到绝对意义上的最小化。为解决这一问题,院士王中林教 授2006年首次提出纳米发电机的理念,使纳米发电机的研究成为微型能源研究领域的热点, 进而开辟了纳米材料发电这一新兴的学科领域。

纳米材料发电目前有几种技术路线:

(1) 纳米压电发电

纳米压电电子学原理是利用原子力显微镜探针,压迫氧化锌纳 米线产生弯曲,使锌离子和氧离子产生了电势能并形成电流。 在此基础上,选用兼具压电效应和半导体效应的氧化锌,利用 纳米线、纳米薄膜等材料的结构特性,成功发明了纳米发电 机,实现了将周围环境中的机械能转化成电能的目标。另外, 利用超声波等其他方式,也可为纳米压电材料提供机械能。

(2) 纳米热释电发电

利热释电(Pyroelectric)纳米发电机是一种能量收集装置,它能 够利用纳米结构的热释电材料把外界的热能转换成电能。通常,热能的收集主要依靠器件两端的温差驱动载流子扩散的塞 贝克效应。

(3) 纳米静电摩擦发电

利用日常生活中摩擦起电这种静电现象,可产生足够的能量。而采用纳米技术来制造特定材质的两种摩擦表面,还可以使摩擦有效面积扩大,从而提供更强的摩擦并转换出比压电效应更为可观的电能。

(4) 纳米水伏发电

通过纳米结构与水的流动、波动、滴落和蒸发直接相互作用来发电的能量转换效应,被称为水伏效应(hydrovoltaic effect),也称纳米水伏发电,这种效应为解决柔性传感系统的能源可持续供给提供了新思路。

2.纳米材料水伏发电

地球表面70%以上都被天然水体覆盖,是含量最丰富的资源之一。无论地理位置或环境条件如何改变,天然水都可以通过吸收热能而自发地流动和蒸发。通过纳米结构与水的流动、波动、滴落和蒸发直接相互作用来发电的能量转换效应,被称为水伏效应(hydrovoltaic effect),这种效应为解决柔性传感系统的能源可持续供给提供了新思路。

然而,如何在变形条件下实现稳定发电和高输出功率,并实现轻量化、柔性化可穿戴传感微系统依然面临很多挑战。以下为水伏发电的几个技术路径:

(1) 水滴注入电荷纳米发电;
(2) 水流机械通过纳米材料;
(3) 水汽蒸腾纳米发电;

三、方案说明

1.测试要求

(1) 实时测试多种纳米材料在同一水条件下的发电情况;

(2) 不同纳米材料的发电条件不同,并需要数据记录;

(3) IV曲线扫描;

 

2.测试方案结构

△方案一、单通道纳米水伏发电测试

△方案二、多通道水伏发电纳米材料分选

 

3.测试原理及指标

 

蒸腾驱动发电机:在含有炭黑涂层的不对称湿棉布上,由毛细流动的水驱动进行发电,可产生最 大电压0.53 V, 最大电流3.91μA,最大能量密度1.14 mWh cm−3。由多个蒸腾驱动发电机组 装产 生的能量,足以点亮一个20 mA×2.2 V的发光二极管,或为一个1 F容量的超级电容器充电。

上图为不同液体对蒸腾纳米驱动发电机的影响

(A) 各种类型和极性的液体对蒸腾纳米发电机的VOC的影响;

(B) 不同阳离子大小的盐溶液在不同条件下对TEPG的VOC的影响;

(C) 不同pH值的盐酸溶液下,测试出VOC的值;

(D) 湿碳与干碳电位差及电流流向示意图;

(E) 湿/干界面拟流行为和电流产生的机理示意图;

(F) 蒸腾纳米发电机的蒸发和吸附示意图;

4.扫描及图示

△测试连接实物图

(A) TEPG运行示意图;

(B) (B)测量TEPG的VOC、ISC和电阻分布;

(C) (D) (E) (F)为不同情况下,测量VOC的分布情况;

 

5.选型依据

以量程及最小测量精度为标准,同时支持等效电阻测试。

 
 
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