CN110752765B - 一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机及其加工方法，发电机包括平板电极、锥形电极以及用于连接外部负载的导线；所述平板电极为平面导体，其表面覆盖有疏水介电层，且其表面设置有多个微通孔；所述锥形电极的表面通过亲水修饰。本发明提出一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机及其加工方法，用于收集水雾中蕴含的表面能。

Description

一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机及其加工方法
技术领域
本发明涉及纳米发电领域，尤其涉及一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机及其加工方法。
背景技术
人类从原始社会走向现代文明，能源一直是推动社会发展的重要因数之一。但是，面对日益增加的能源消耗和过量使用化石燃料带来的环境问题，如何在可持续发展的道路上越走越远，开发清洁、绿色的新能源是全世界共同面临的问题之一。
近年来，得益于半导体技术和纳米技术的发展，通过这些新技术利用光电效应、热电效应、压电效应等新型方法收集能量的方式相继问世，在一定程度上能够解决用电器的供能问题。但是，机械能作为自然界普遍的能量存在形式之一，具有分布广泛、规模巨大等特点，如何高效收集环境中的机械能是目前研究的重点。
2012年，王中林等人利用摩擦起电和静电感应的耦合作用发明了摩擦纳米发电机。这种发电机不仅能够收集小尺度下的环境机械能例如人体运动、机械振动、旋转、风能、雨滴和海浪等，还能作为测量相应机械运动状态的自供能传感器使用。纳米摩擦发电机具有质量轻，制作成本低，使用寿命长等特点，具有广阔的应用前景。
其中固-液式摩擦纳米发电机是利用器件与水体摩擦改变器件表面的电荷平衡状态从而产生感应电势差和感应电流。对于收集海浪和雨滴等液体的能量，已经有了较成熟的收集方法。水雾作为液体的另一种广泛存在的形式，蕴藏着巨大的能量潜力。但是，传统的收集宏观水体能量的方法并不适用于收集水雾中蕴含的能量。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中的缺陷，提出一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机及其加工方法，用于收集水雾中蕴含的表面能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机，发电机包括平板电极、锥形电极以及用于连接外部负载的导线；所述平板电极为平面导体，其表面覆盖有疏水介电层，且其表面设置有多个微通孔；
所述锥形电极的表面通过亲水修饰。
优选的，所述锥形电极为拥有锥度的锥形金属导线，所述疏水介电层具备厚度。
优选的，所述平板电极为所述发电机的一个电极，多个所述锥形电极依次安装在所述平板电极的所述微通孔中，且所有锥形电极并联并与所述导线连接作为所述发电机的另一电极。
一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机的加工方法，包括制备摩擦纳米发电机的过程如下：
制备所述锥形电极的步骤如下：
步骤S1：将等直径的圆柱形金属导线拉直，再切割成所需的长度；依次使用无水乙醇、稀盐酸和去离子水超声洗净，再在干燥的氮气流中干燥；
步骤S2：将步骤S1中制作得到的金属导线固定在精密Z轴直线伺服运动平台上，使金属导线的轴线平行于Z轴直线运动平台的运动方向；将金属导线连接精密直流电源的正极，电解液连接直流电源的负极，金属导线在运动平台的驱动下不断重复浸入-提出电解液的过程，直至金属导线形成底部直径小，顶部直径大的锥形结构，然后对金属导线的锥形结构的表面进行亲水修饰；
步骤S3：将步骤S2中得到的金属导线从精密Z轴直线伺服运动平台取出，倒置后再装上精密Z轴直线伺服运动平台；利用浸渍提拉镀膜的方法将金属导线没有进行电化学刻蚀的部分镀上一层具有一定厚度的疏水介电层，然后在真空加热炉中烘干，最后得到锥形电极。
优选的，包括制备平板电极的过程，步骤如下：
步骤A1：将一块具备所需的面积和厚度的平板导体，在平板导体表面加工多个微通孔；再依次使用无水乙醇、稀盐酸和去离子水超声洗净，
步骤A2：将步骤A1得到的平板导体再在干燥的氮气流中干燥；
步骤A3：在步骤A2中加工过的平板导体的表面旋涂一层疏水介电层，然后在真空加热炉中烘干，最后得到平板电极。
优选的，包括摩擦纳米发电机的制备过程，步骤如下：
将制备好的多个锥形电极依次插入制备好的平板电极上的微通孔中，并将多个锥形电极进行并联连接，利用导线连接锥形电极、平板电极和负载。
优选的，所述步骤S1中的金属导线的纯度≥99.999％。
优选的，所述步骤S1中无水乙醇中的乙醇含量≥98％，稀盐酸的浓度为1mol/L，去离子水的电阻率为18.2MΩ·cm。
优选的，所述步骤S2中金属导线的长度≥50mm，精密Z轴直线伺服运动平台的运动分辨率为1μm；所述步骤S2中电解液浓度为0.1～10mol/L；
所述步骤S3和A3中的疏水介电层为氟碳聚合物。
优选的，在步骤A1中，所述微通孔的加工方法包括钻削加工和/或激光加工，所述微通孔的直径与所述锥形电极的顶部直径相等。
附图说明
图1是本发明的锥形电极制备流程图；
图2是本发明的平板电极制备流程图；
图3是本发明的摩擦纳米发电机结构示意图；
图4是本发明的摩擦纳米发电机的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本实施例中的方位均以说明书附图为准。
本发明的一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机，如图3所示，发电机包括平板电极302、锥形电极303以及用于连接外部负载的导线；所述平板电极302为平面导体，其表面覆盖有疏水介电层301，且其表面设置有多个微通孔；
所述锥形电极303的表面通过亲水修饰。
优选的，所述锥形电极303为拥有锥度的锥形金属导线，所述疏水介电层301具备厚度。
优选的，所述平板电极302为所述发电机的一个电极，多个所述锥形电极303依次安装在所述平板电极302的所述微通孔中，且所有锥形电极303并联并与所述导线连接作为所述发电机的另一电极。
将发电机置于潮湿多雾的环境中，经过亲水修饰的锥形电极303表面将累积水雾并形成液滴；液滴在锥形电极303直径较小处附近受到较大的拉普拉斯力，而在锥形电极303直径较大处受到较小的拉普拉斯力；液滴两端所受的拉普拉斯力产生差值，形成一个使液滴在锥形电极303直径较小处往直径较大处移动的驱动力。
当液滴移动到锥形电极303末端、并与覆盖疏水介电层301的平板电极302接触，液滴改变了疏水介电层301上静电荷的平衡状态，从而产生静电感应，使疏水介电层301背面的平板电极302与锥形铜丝电极之间形成一个感应电势差。
在电势差的作用下，电子由锥形电极303经过外部负载流到平板电极302；当液滴离开锥形电极303和平板电极302时，两者之间电势差消失，电子发生回流。
如图1所示，制备所述锥形电极303的步骤如下：
步骤S1：将等直径的圆柱形金属导线拉直，再切割成所需的长度；依次使用无水乙醇、稀盐酸和去离子水超声洗净，再在干燥的氮气流中干燥；
步骤S2：将步骤S1中制作得到的金属导线固定在精密Z轴直线伺服运动平台上，使金属导线的轴线平行于Z轴直线运动平台的运动方向；将金属导线连接精密直流电源的正极，电解液连接直流电源的负极，金属导线在运动平台的驱动下不断重复浸入-提出电解液的过程，直至金属导线形成底部直径小，顶部直径大的锥形结构，然后对金属导线的锥形结构的表面进行亲水修饰；
在直流电源的作用下，连接直流电源正极的金属导线在浸入电解液的过程中不断溶解；由于金属导线底部浸泡电解液的时间比顶部长，去除材料比顶部多，因此形成底部直径小、顶部直径大的锥形结构；最后对金属导线的锥形表面进行亲水修饰。
步骤S3：将步骤S2中得到的金属导线从精密Z轴直线伺服运动平台取出，倒置后再装上精密Z轴直线伺服运动平台；利用浸渍提拉镀膜的方法将金属导线没有进行电化学刻蚀的部分镀上一层具有一定厚度的疏水介电层301，然后在真空加热炉中烘干，最后得到锥形电极303。
优选的，如图2所示，包括制备平板电极302的过程，步骤如下：
步骤A1：将一块具备所需的面积和厚度的平板导体，在平板导体表面加工多个微通孔；再依次使用无水乙醇、稀盐酸和去离子水超声洗净，
步骤A2：将步骤A1得到的平板导体再在干燥的氮气流中干燥；
步骤A3：在步骤A2中加工过的平板导体的表面旋涂一层疏水介电层301，然后在真空加热炉中烘干，最后得到平板电极302。
优选的，如图3所示，包括摩擦纳米发电机的制备过程，步骤如下：
将制备好的多个锥形电极303依次插入制备好的平板电极302上的微通孔中，并将多个锥形电极303进行并联连接，利用导线连接锥形电极303、平板电极302和负载。
摩擦纳米发电机的发电原理如图4所示。如图4a所示，将发电机置于潮湿多雾的环境中，经过亲水修饰的锥形电极303表面累积水雾401；如图4b所示，当锥形面的水雾401累积到一定程度的时候形成液滴402a；液滴402a在锥形铜丝直径较小处附近受到较大的拉普拉斯力，而在锥形铜丝直径较大处收到较小的拉普拉斯力；液滴402a两端所受的拉普拉斯力产生差值，形成一个使液滴在锥形铜丝直径较小处往直径较大处移动的驱动力FL；如图4c所示，图4b中的液滴402a即为图4c中的液滴402b，液滴402b开始从锥形电极303的小端往大端移动，并最终与覆盖疏水介电层301的平板电极302接触；当液滴与介电层接触瞬间，液滴402b改变了疏水介电层301上静电荷的平衡状态，从而产生静电感应，使疏水介电层301背面的平板电极302与锥形铜丝电极之间形成一个感应电势差；在电势差的作用下，电子由锥形铜丝电极经过外部负载流到平板电极302；如图4d所示，当液滴402c，即图4c中的液滴402b，离开锥形铜丝电极和平板电极302时，两者之间电势差消失，电子发生回流。
优选的，所述步骤S1中的金属导线的纯度≥99.999％。
所述金属导线的材质为单质，在本实施例中，优选为铜、铝、钛、钨、金或银。
优选的，所述步骤S1中无水乙醇中的乙醇含量≥98％，稀盐酸的浓度为1mol/L，去离子水的电阻率为18.2MΩ·cm。
上述数据为本实施例中最佳实验数据，确保可以将金属导线完全洗净。
优选的，所述步骤S2中金属导线的长度≥50mm，精密Z轴直线伺服运动平台的运动分辨率为1μm；所述步骤S2中电解液浓度为0.1～10mol/L；
所述步骤S3和A3中的疏水介电层301为氟碳聚合物。
在本实施例中，疏水介电层301的材质优选为聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、过氟烷基化物(PFA)、聚偏氟乙烯(PVDF)。
在步骤S3和A3中，对锥形电极303的疏水介电层301的涂覆方法可以为提拉镀膜法。所述步骤S3中将涂覆好疏水介电层301的锥形电极303置于真空加热炉中真空加热，目的是让液态的疏水介电层301在真空中脱泡，使其均匀地覆盖在锥形电极303表面；述步骤A3中将涂覆好疏水介电层301的平板电极302置于真空加热炉中真空加热，目的是让液态的疏水介电层301在真空中脱泡，使其均匀地覆盖在平板电极302表面。
优选的，在步骤A1中，所述微通孔的加工方法包括钻削加工和/或激光加工，在本实施例中，优选为激光加工，所述微通孔的直径与所述锥形电极303的顶部直径相等。
在本实施例中，为了方便展示仅使用了3根锥形电极303，在实际设备中可以为mXn的锥形电极303阵列，其中m、n≥1。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机，其特征在于：
发电机包括平板电极、锥形电极以及用于连接外部负载的导线；所述平板电极为平面导体，其表面覆盖有疏水介电层，且其表面设置有多个微通孔；
所述锥形电极的表面通过亲水修饰；
所述平板电极为所述发电机的一个电极，多个所述锥形电极依次安装在所述平板电极的所述微通孔中，且所有锥形电极并联并与所述导线连接作为所述发电机的另一电极。
2.根据权利要求1所述一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机，其特征在于：
所述锥形电极为拥有锥度的锥形金属导线，所述疏水介电层具备厚度。
3.一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机的加工方法，其特征在于：包括制备所述权利要求1-2中任一项所述摩擦纳米发电机的过程如下：
制备所述锥形电极的步骤如下：
步骤S1：将等直径的圆柱形金属导线拉直，再切割成所需的长度；依次使用无水乙醇、稀盐酸和去离子水超声洗净，再在干燥的氮气流中干燥；
步骤S2：将步骤S1中制作得到的金属导线固定在精密Z轴直线伺服运动平台上，使金属导线的轴线平行于Z轴直线运动平台的运动方向；将金属导线连接精密直流电源的正极，电解液连接直流电源的负极，金属导线在运动平台的驱动下不断重复浸入-提出电解液的过程，直至金属导线形成底部直径小，顶部直径大的锥形结构，然后对金属导线的锥形结构的表面进行亲水修饰；
步骤S3：将步骤S2中得到的金属导线从精密Z轴直线伺服运动平台取出，倒置后再装上精密Z轴直线伺服运动平台；利用浸渍提拉镀膜的方法将金属导线没有进行电化学刻蚀的部分镀上一层具有一定厚度的疏水介电层，然后在真空加热炉中烘干，最后得到锥形电极。
4.根据权利要求3所述一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机的加工方法，其特征在于：
包括制备平板电极的过程，步骤如下：
步骤A1：将一块具备所需的面积和厚度的平板导体，在平板导体表面加工多个微通孔；再依次使用无水乙醇、稀盐酸和去离子水超声洗净，
步骤A2：将步骤A1得到的平板导体再在干燥的氮气流中干燥；
步骤A3：在步骤A2中加工过的平板导体的表面旋涂一层疏水介电层，然后在真空加热炉中烘干，最后得到平板电极。
5.根据权利要求3所述一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机的加工方法，其特征在于：
包括摩擦纳米发电机的制备过程，步骤如下：
将制备好的多个锥形电极依次插入制备好的平板电极上的微通孔中，并将多个锥形电极进行并联连接，利用导线连接锥形电极、平板电极和负载。
6.根据权利要求3所述一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机的加工方法，其特征在于：
所述步骤S1中的金属导线的纯度≥99.999％。
7.根据权利要求3所述一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机的加工方法，其特征在于：
所述步骤S1中无水乙醇中的乙醇含量≥98％，稀盐酸的浓度为1mol/L，去离子水的电阻率为18.2MΩ·cm。
8.根据权利要求4所述一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机的加工方法，其特征在于：
所述步骤S2中金属导线的长度≥50mm，精密Z轴直线伺服运动平台的运动分辨率为1μm；所述步骤S2中电解液浓度为0.1～10mol/L；
所述步骤S3和A3中的疏水介电层为氟碳聚合物。
9.根据权利要求4所述一种收集水雾产生电能的摩擦纳米发电机的加工方法，其特征在于：
在步骤A1中，所述微通孔的加工方法包括钻削加工和/或激光加工，所述微通孔的直径与所述锥形电极的顶部直径相等。
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