一种无需封装的固-液摩擦纳米发电机及应用 |
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| 申请号 | CN202410332516.X | 申请日 | 2024-03-22 | 公开(公告)号 | CN118017867A | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | 中国科学院海洋研究所; | 发明人 | 王秀通; 南有博; 杨黎晖; 王明星; 周晖; 孙亚楠; 刘威龙; 于腾; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种结构简单完全开放的固‑液摩擦纳米发 电机 及应用。该发电机包括载体、内 电极 、负摩擦层、外电极、和 导线 。其中负摩擦层为电负性强的高聚物。内电极为导电膜。外电极为导电针。该摩擦纳米发电机置于溶液中能捕获 水 波能并转化为 电能 ，并可以广泛应用到自驱动电化学领域。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦纳米发电机包括： |
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| 说明书全文 | 一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机及应用技术领域[0001] 本发明属于发电机及应用领域，尤其涉及一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电及应用。 背景技术[0002] 海洋能主要包括波浪能、风能、潮汐能和温差能等。其中，波浪能蕴藏丰富、分布广泛，而且具有全天候的优点。因此，捕获利用波浪能是实现能源清洁化的重要途径。传统波浪能主要是是利用巨大的电磁发电机进行采集。这种波浪捕获发电技术存在发电厂建设成本高、运营成本高、电缆等设备布设难等难题。为此，开发新的波浪能捕获发电技术引起了人类的广泛关注。近年来，摩擦纳米发电技术的提出为波浪能的进一步捕获提供了新的途径。目前，摩擦纳米发电机主要以固‑固型摩擦纳米发电机为主。此类纳米发电机能广泛的捕获包括海洋能在内的环境中机械能。 [0003] 然而，由于海洋环境是长期处于潮湿的状态，这很容易导致其失效和性能降低。另外，用于采集波浪能的固‑固型摩擦纳米发电机通常结构复杂且精密。因此，此类摩擦纳米发电机通常制备过程复杂，而且修复难度大。另外，摩擦纳米发电机的锚定和大规模的布设是阻碍其发展的重要挑战。因此，如何在潮湿的海洋环境中有效的进行波浪能捕获和电能转换是摩擦纳米发电机发展的难题之一。如何牢固锚定和大规模布设摩擦纳米发电机也是摩擦纳米发电机发展的难题之一。因此，开发适合海洋环境开放式的摩擦纳米发电机对实现波浪能的捕获具有重要意义。 发明内容[0004] 本发明目的在于提供一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机及应用。 [0005] 为实现上述目的，本发明采用技术方案为： [0006] 一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括： [0007] 载体； [0009] 负摩擦层，所述负摩擦层为高聚物膜，通过粘结剂粘结到所述内电极外侧，且完全覆盖所述内电极； [0010] 外电极，所述外电极为导电针，贴附于所述负摩擦层的外侧，所述外电极的末端位于所述内电极的高度方向的1/2处，所述外电极的直径小于等于300微米。 [0012] 所述溶液为纯水、海水、模拟海水、离子浓度低于10‑4mol/L的水溶液中的一种。 [0013] 所述负摩擦层的电负性强于所述溶液。 [0014] 优选，所述内电极和所述负摩擦层的面积比为a，满足1：8≤a≤1：1。 [0015] 进一步优选，所述内电极和所述负摩擦层的面积比为a，满足1：8≤a≤1：4。 [0017] 所述外电极选自Al针、Cu针，Ni针、Ti针、Pt针和Ag针中一种或几种。 [0018] 所述内电极选自Al箔、Cu箔、导电布。 [0020] 一种所述的无需封装的固‑液摩擦纳米发电机的应用，所述摩擦纳米发电机在利用水波能转化为电能中的应用。 [0021] 一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机的应用，所述无需封装的固‑液摩擦纳米发电机在电化学过程的自供能中的应用。 [0022] 本发明的技术方案所具有的优点： [0023] 本发明无需封装的固‑液摩擦纳米发电机是基于固液摩擦起电、静电感应和体效应开发的适应于潮湿环境下的纳米发电机。该摩擦纳米发电机由载体、内电极、负摩擦层、外电极、和导线组成，其结构简单易操作。而且材料廉价易制备。该摩擦纳米发电机由于其摩擦层能够完全浸没在溶液中运行，因此其能够实现超完全开放的高湿环境下发电。另外，该摩擦纳米发电机的内外电极及负摩擦层能够轻易的布设在现役的任何水中的载体上。因此，该摩擦纳米发电机成功的解决了其锚定难，大面积布设成本高的难题。附图说明 [0024] 图1为本发明一实施例中固‑液摩擦纳米发电机结构示意图；其中，1为载体，2为内电机、3为负摩擦层、4为外电极，5为导线； [0025] 图2为本发明一实施例中固‑液摩擦纳米发电机工作原理示意图； [0027] 图4为本发明实施例1、2、3和4提供的固‑液摩擦纳米发电机转移电荷量测试曲线； [0030] 图7为本发明实施例1提供的摩擦纳米发电机产氢充电曲线及产氢现象电子照片； [0031] 图8为本发明实施例5提供的固‑液摩擦纳米发电机短路电流测试曲线； [0032] 图9为本发明实施例5提供的固‑液摩擦纳米发电机转移电荷量测试曲线； [0033] 图10为本发明实施例5提供的固‑液摩擦纳米发电机开路电压测试曲线。 具体实施方式[0034] 下面结合附图和以下实施例，对本发明作进一步具体说明，但并不因此限制本发明的内容。 [0035] 本发明设计的摩擦纳米发电机能够在各种开放的潮湿环境下工作，如能在海洋、河流及其他各种水环境中。这解决了传统摩擦纳米发电机在潮湿环境下输出性能下降，甚至失效的问题。另外，本发明设计的摩擦纳米发电机适合布设在海洋及其他水环境中现役的设备上。这解决了传统摩擦纳米发电机锚定和大规模布设难得问题。本发明能够有效捕获和转换波浪能，尤其是波浪资源丰富得浪花飞溅区。 [0036] 本发明提供一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括： [0037] 载体； [0038] 内电极，所述内电极为导电膜，通过粘结剂粘结到所述载体外侧； [0039] 负摩擦层，所述负摩擦层为高聚物膜，通过粘结剂粘结到所述内电极外侧，且完全覆盖所述内电极； [0040] 外电极，所述外电极为导电针，贴附于所述负摩擦层的外侧，所述外电极的末端位于所述内电极的高度方向的1/2处，所述外电极的直径小于300微米； [0041] 两根导线，所述导线分别由所述内电极和所述外电极引出； [0042] 所述摩擦纳米发电机置于溶液中捕获水波能并转化为电能，如此设置的摩擦纳米发电机能够在潮湿的海洋环境中有效的进行波浪能捕获和电能转换，而且易于在现役海洋设备上布设构建摩擦纳米发电网络。 [0043] 所述溶液为纯水、海水、模拟海水、离子浓度低于10‑4mol/L的水溶液中的一种。因此，该摩擦纳米发电机能够适应各种水环境下的波浪能捕获，实现波浪能到电能的转换。 [0044] 所述负摩擦层的电负性强于所述溶液。若负摩擦层电负性弱于所述溶液，则该摩擦纳米发电机的输出性能严重下降，甚至无法产生电荷转移。 [0045] 所述内电极和所述负摩擦层的面积比为a，满足1：8≤a≤1：1；更优选地，满足1：8≤a≤1：4；最优选地，满足a＝1：4。若所述内电极和所述负摩擦层的面积比为a小于1：8，则该摩擦纳米发电机的输出性能严重下降，难以有效的捕获和电能转换。 [0046] 所述负摩擦层的材料选自以下组合中的一种：FEP、PTFE、Kapton、PDMS、PVDF和硅橡胶。一般来说，所述负摩擦层的材料满足电负性强于所置溶液的要求即可，本发明对此不作限制。 [0047] 所述外电极选自以下组合中的一种：Al针、Cu针，Ni针、Ti针、Pt针和Ag针。所述外电极为导电的细针，而且直径一般小于300微米，本发明对此不作限制。 [0048] 实施例1 [0049] 一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机，如图1所示，包括载体，负摩擦层、外电极、和导线。 [0050] 其中载体为直径为15cm高为60cm的亚克力管。 [0051] 内电极，所述内电极为导电膜Cu箔，通过粘结剂粘结到所述载体外侧； [0052] 其中负摩擦层为电负性强的高聚物FEP，其厚度为30微米。通过粘结剂粘结到所述内电极外侧，且完全覆盖所述内电极； [0053] 所述内电极和负摩擦层面积之比为1：4； [0054] 外电极，所述外电极为直径为300微米Cu导电针，贴附于所述负摩擦层的外侧，所述外电极的末端位于所述内电极的高度方向的1/2处； [0055] 两根导线，所述导线分别由所述内电极和所述外电极引出；即构成摩擦纳米发电机。 [0056] 本发明摩擦纳米发电机放置在纯水中由于波浪作用导致水与FEP摩擦起电，静电感应和体效应产生交流电输出。 [0057] 本发明摩擦纳米发电机具体工作原理如图2所示，水作为摩擦纳米发电机的另一个摩擦材料在水波的作用下上下波动。这使得负摩擦材料因接触起电而带负电荷。同时，水失去电子而带正电荷。当水波向上运动但未接触到外电极Cu针时，由于静电感应作用内电极上电子被屏蔽流向外电路形成电流。随着水的持续上升，水接触到外电极使得内外电极导通形成回路。由于此时短时间内外电路中流过了大量的电荷，故瞬时形成了大电流。随后水波继续上升，内电极电子被屏蔽持续流向外电路从而持续形成电流。当水波达到最高后，水波向下运动由于静电感应和电势差，电子回流形成反向电流。如此往复运动，形成向外输出的交流电。 [0058] 对实施例1组装获得无需封装的固‑液摩擦纳米发电机进行电输出性能测试，包括转移电荷、短路电流和开路电压测试。通过吉时利静电计6514获取转移电荷和短路电流并借助数据采集卡收集分析。输出电压采用ROGOL示波器测得。测试过程中波浪的产生借助电极挡板推动水池水实现。 [0059] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，短路峰值电流为85.9μA，如图3。 [0060] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，转移电荷量为2.58μC，如图4。 [0061] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，开路峰值电压为208V，如图5。 [0062] 对实施例1组装获得无需封装的固‑液摩擦纳米发电机进行阵列化，并于三电极体系连接构建成电化学阴极保护系统实现对Q235碳钢的腐蚀防护的测试：三电极体系中工作电极为Q235碳钢，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为Pt。电解池溶液为3.5％ NaCl。摩擦纳米发电机输出电信号通过全桥整流后，正电流连接三电极体系Pt，负电流连接工作电极Q235碳钢。随后，借助工作站测试Q235碳钢在频率为0.5Hz的波浪下驱动摩擦纳米发电机对其形成的阴极保护效果，见图6。结果表明，摩擦纳米发电机能使Q235碳钢表面电位降至‑1.2V，表明其能够对Q235碳钢形成良好的阴极保护。 [0063] 对实施例1组装获得无需封装的固‑液摩擦纳米发电机进行阵列化，并于二电极体系连接构建成电化学产氢系统：三电极体系中工作电极为Pt丝，对电极为Pt片。电解池溶液为包含酚酞溶液的3.5％ NaCl。摩擦纳米发电机输出电信号通过全桥整流后，正电流连接Pt片，负电流连接工作电极Pt丝。随后，在频率为0.5Hz的波浪下驱动摩擦纳米发电机形成产氢，见图7。结果表明，该摩擦纳米发电机能捕获波浪能并实现产氢。 [0064] 实施例2 [0065] 一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机，包括载体，负摩擦层、外电极、和导线。 [0066] 其中载体为直径为15cm高为60cm的亚克力管。 [0067] 内电极，所述内电极为导电膜Cu箔，通过粘结剂粘结到所述载体外侧； [0068] 其中负摩擦层为电负性强的高聚物FEP，其厚度为30微米。通过粘结剂粘结到所述内电极外侧，且完全覆盖所述内电极； [0069] 所述内电极和负摩擦层面积之比为1：1； [0070] 外电极，所述外电极为直径为300微米Cu导电针，贴附于所述负摩擦层的外侧，所述外电极的末端位于所述内电极的高度方向的1/2处； [0071] 两根导线，所述导线分别由所述内电极和所述外电极引出； [0072] 本发明摩擦纳米发电机放置在纯水中由于波浪作用导致水与FEP摩擦起电，静电感应和体效应产生交流电输出。 [0073] 对实施例2组装获得无需封装的固‑液摩擦纳米发电机进行电输出性能测试，包括转移电荷、短路电流和开路电压测试。通过吉时利静电计6514获取转移电荷和短路电流并借助数据采集卡收集分析。输出电压采用ROGOL示波器测得。测试过程中波浪的产生借助电极挡板推动水池水实现。 [0074] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，短路峰值电流为14.7μA，如图3。 [0075] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，转移电荷量为3.65μC，如图4。 [0076] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，开路峰值电压为15V，如图5。 [0077] 上述结果表明，该摩擦纳米发电机能捕获波浪能并实现电能转换。 [0078] 实施例3 [0079] 一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机，包括载体，负摩擦层、外电极、和导线。 [0080] 其中载体为直径为15cm高为60cm的亚克力管。 [0081] 内电极，所述内电极为导电膜Cu箔，通过粘结剂粘结到所述载体外侧； [0082] 其中负摩擦层为电负性强的高聚物FEP，其厚度为30微米。通过粘结剂粘结到所述内电极外侧，且完全覆盖所述内电极； [0083] 所述内电极和负摩擦层面积之比为1：2； [0084] 外电极，所述外电极为直径为300微米Cu导电针，贴附于所述负摩擦层的外侧，所述外电极的末端位于所述内电极的高度方向的1/2处； [0085] 两根导线，所述导线分别由所述内电极和所述外电极引出； [0086] 本发明摩擦纳米发电机放置在纯水中由于波浪作用导致水与FEP摩擦起电，静电感应和体效应产生交流电输出。 [0087] 对实施例3组装获得无需封装的固‑液摩擦纳米发电机进行电输出性能测试，包括转移电荷、短路电流和开路电压测试。通过吉时利静电计6514获取转移电荷和短路电流并借助数据采集卡收集分析。输出电压采用ROGOL示波器测得。测试过程中波浪的产生借助电极挡板推动水池水实现。 [0088] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，短路峰值电流为16.4μA，如图3。 [0089] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，转移电荷量为2.85μC，如图4。 [0090] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，开路峰值电压为62V，如图5。 [0091] 上述结果表明，该摩擦纳米发电机能捕获波浪能并实现电能转换。 [0092] 实施例4 [0093] 一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机，包括载体，负摩擦层、外电极、和导线。 [0094] 其中载体为直径为15cm高为60cm的亚克力管。 [0095] 内电极，所述内电极为导电膜Cu箔，通过粘结剂粘结到所述载体外侧； [0096] 其中负摩擦层为电负性强的高聚物FEP，其厚度为30微米。通过粘结剂粘结到所述内电极外侧，且完全覆盖所述内电极； [0097] 所述内电极和负摩擦层面积之比为1：8； [0098] 外电极，所述外电极为直径为300微米Cu导电针，贴附于所述负摩擦层的外侧，所述外电极的末端位于所述内电极的高度方向的1/2处； [0099] 两根导线，所述导线分别由所述内电极和所述外电极引出； [0100] 本发明摩擦纳米发电机放置在纯水中由于波浪作用导致水与FEP摩擦起电，静电感应和体效应产生交流电输出。 [0101] 对实施例4组装获得无需封装的固‑液摩擦纳米发电机进行电输出性能测试，包括转移电荷、短路电流和开路电压测试。通过吉时利静电计6514获取转移电荷和短路电流并借助数据采集卡收集分析。输出电压采用ROGOL示波器测得。测试过程中波浪的产生借助电极挡板推动水池水实现。 [0102] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，短路峰值电流为14.3μA，如图3。 [0103] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，转移电荷量为0.63μC，如图4。 [0104] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，开路峰值电压为15V，如图5。 [0105] 上述结果表明，该摩擦纳米发电机能捕获波浪能并实现电能转换。 [0106] 实施例5 [0107] 一种无需封装的固‑液摩擦纳米发电机，包括载体，负摩擦层、外电极、和导线。 [0108] 其中载体为直径为15cm高为60cm的带涂层钢桩。 [0109] 内电极，所述内电极为导电膜Cu箔，通过粘结剂粘结到所述载体外侧； [0110] 其中负摩擦层为电负性强的高聚物FEP，其厚度为30微米。通过粘结剂粘结到所述内电极外侧，且完全覆盖所述内电极； [0111] 所述内电极和负摩擦层面积之比为1：4； [0112] 外电极，所述外电极为直径为300微米Cu导电针，贴附于所述负摩擦层的外侧，所述外电极的末端位于所述内电极的高度方向的1/2处； [0113] 两根导线，所述导线分别由所述内电极和所述外电极引出； [0114] 本发明摩擦纳米发电机放置在纯水中由于波浪作用导致水与FEP摩擦起电，静电感应和体效应产生交流电输出。 [0115] 对实施例5组装获得无需封装的固‑液摩擦纳米发电机进行电输出性能测试，包括转移电荷、短路电流和开路电压测试。通过吉时利静电计6514获取转移电荷和短路电流并借助数据采集卡收集分析。输出电压采用ROGOL示波器测得。测试过程中波浪的产生借助电极挡板推动水池水实现。 [0116] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，短路峰值电流为17.8μA，如图8。 [0117] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，转移电荷量为1.65μC，如图9。 [0118] 当组装的摩擦纳米发电机进行频率为1Hz的波浪捕获和电能转换，开路峰值电压为15V，如图10。 [0119] 上述结果表明，该摩擦纳米发电机能布设在海洋设备上实现波浪能捕获和电能转换。 [0120] 通过实施例1‑4发现，该摩擦纳米发电机能够有效捕获波浪能并进行电能转换。另外，该摩擦纳米发电机的输出随着内电极和负摩擦层的面积比a的变化而变化。其中当内电极和负摩擦层的面积比a为1：4时，该摩擦纳米发电机的短路电流峰值达到了最大。这表明当内电极和负摩擦层的面积比a为1：4时，该摩擦纳米发电机具有最优的波浪能捕获效果。另外，在最优输出条件下该摩擦纳米发电机实现了电化学过程的供能。因此，该摩擦纳米发电机能捕获水波能并转化为电能，而且，在电化学过程的自供能中具有良好的应用潜力。 [0121] 通过实施例5发现，当该摩擦纳米发电机布设与钢桩时也具有优异的输出性能，这证明该摩擦纳米发电机有望解决当前摩擦纳米发电机锚定难，以及大面积布设成本高的难题。 [0122] 其它未举例的制备方法，在上述两个制备方法的指引下能很容易地实现，此处不再赘述。 |
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