一种盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置及其制备与应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置及其制备与应用，该纳流体发电装置包括纳米沟道，以及分别位于该纳米沟道两端、且与该纳米沟道相连通的第一液体沟道与第二液体沟道；其中，第一液体沟道用于容纳第一液体；第二液体沟道用于容纳第二液体；纳米沟道用于利用第一液体与第二液体两者之间的盐浓度差异将化学势能转化为电能，并通过第一电极与第二电极配合输出电能。本发明专利技术基于将盐浓度差异的化学势能转化为电能的具体能量转换原理，通过对纳流体发电装置内关键的纳米沟道以及与该纳米沟道配合作用的其他结构进行改进，可实现利用盐浓度梯度驱动发电，尤其可利用海水‑淡水盐浓度实现发电。

A Salt Concentration Gradient Driven Nanofluidic Power Generation Device and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置及其制备与应用
本专利技术属于纳流控发电机领域，更具体地，涉及一种盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置及其制备与应用，例如海水-淡水盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置，具体通过微纳工艺制备出纳米级深度、宽度、长度的沟道，并通过在储液池施加盐浓度进行发电。
技术介绍
纳米沟道是指至少有一维尺寸在纳米级的微小沟道，其在纳流体研究领域具有许多优势。由于与流体接触后的固液反应，纳米沟道壁面会带电(以SiO2为例：带负电)，而纳米沟道的尺寸在纳米级，由于表面效应导致的离子选择性强，因而可以用以收集浓度差中的化学势能转化成电能。由于纳米沟道的制备是平面刻蚀，具备大规模制备的条件，且与CMOS兼容，外部电路并接容易，可广泛应用于微纳设备自供电，如纳米机电系统、微型传感器、可穿戴柔性电子设备等等。这类新兴的纳米尺度器件与设备通常是在极低的工作电压与极低的功耗下工作，与之匹配的就要求纳米尺度的发电装置-纳流体发电装置。目前纳流体发电装置主要存在着下面的缺陷：1.利用有机薄膜刻蚀的纳米孔可以得到高达2.6*103W/m2的功率密度，但是处在电解质中薄膜有膨胀和收缩的问题，影响器件稳定性。2.基于标准的半导体制造工艺制备的与CMOS兼容的纳米沟道发电装置的输出功率密度仅有7.7W/m2。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置及其制备与应用，基于将盐浓度差异的化学势能转化为电能的具体能量转换原理，通过对纳流体发电装置内关键的纳米沟道(尤其是纳米沟道的具体形貌等)以及与该纳米沟道配合作用的其他结构(如第一液体沟道与第二液体沟道)进行改进，可实现利用盐浓度梯度驱动发电，尤其可利用海水-淡水盐浓度实现发电；并且，本专利技术还通过对制备方法所对应的整体工艺流程设计进行改进，并对器件参数(如纳米沟道的深度、宽度、长度，尤其是纳米沟道的深度、长度)进行优选控制，可实现高精度控制的纳米沟道等结构以及发电的高性能，工艺手段对装置样本的损伤小、污染小、制备效率高。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种纳流体发电装置，其特征在于，包括纳米沟道、以及分别位于该纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道，所述纳米沟道、所述第一液体沟道与所述第二液体沟道均位于基底上，所述第一液体沟道与所述第二液体沟道两者通过该纳米沟道相连通；其中，所述第一液体沟道用于容纳第一液体，并且与第一电极相连；所述第二液体沟道用于容纳第二液体，并且与第二电极相连；所述纳米沟道用于利用所述第一液体与所述第二液体两者之间的盐浓度差异将化学势能转化为电能，并通过所述第一电极与所述第二电极配合输出电能。作为本专利技术的进一步优选，所述纳米沟道的深度为1-100nm，宽度为1-400nm，长度为400-1000nm；优选的，所述深度为1-40nm。作为本专利技术的进一步优选，所述第一液体沟道具体包括第一微米沟道，以及通过该第一微米沟道相连的至少2个储液池；所述第一微米沟道的深度为1-100um，宽度为1-100um，长度为1-3mm；所述第二液体沟道具体包括第二微米沟道，以及通过该第二微米沟道相连的至少2个储液池；所述第二微米沟道的深度为1-100um，宽度为1-100um，长度为1-3mm。作为本专利技术的进一步优选，所述第一电极为1个，这个第一电极设置在与所述第一微米沟道相连的一个储液池内；所述第二电极为1个，这个第二电极设置在与所述第二微米沟道相连的一个储液池内。作为本专利技术的进一步优选，所述储液池共计4个，分别位于所述基底上表面的四个角。作为本专利技术的进一步优选，所述基底为SiO2基底或者Al2O3基底。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了制备上述纳流体发电装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在SiO2基底上利用微纳电子工艺加工得到纳米沟道，该微纳电子工艺具体包括电子束曝光、显影、等离子体刻蚀、以及后显影；并且，在加工得到的纳米沟道的两端还分别留有至少2毫米的待加工区域，用于制备第一液体沟道与第二液体沟道；(2)利用紫外光刻机进行套刻制备分别位于纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道，具体操作为：旋涂负性光刻胶，然后在紫外光刻机中对纳米沟道进行对准，套刻曝光，接着使用对应显影液进行显影，等离子体刻蚀，以及后显影，从而完成纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道的制备以及配准；(3)对加工好纳米沟道、第一液体沟道与第二液体沟道的SiO2基底进行PDMS封装，PDMS通过氧等离子体处理与SiO2基底键合。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(3)中，具体是将在与储液池相对应的位置设置有小孔的PDMS板，通过氧等离子体处理激活，然后在显微镜下将该PDMS板对准密封在具有纳米通道、第一液体沟道与第二液体沟道的硅基底上，键合后完成纳流体芯片制备；键合后，PDMS板上的小孔与硅基底上的储液池在硅基底表面所在平面上的投影相重合；优选的，所述PDMS板的厚度为500μm，小孔的直径为2mm。作为本专利技术的进一步优选，所述制备方法还包括步骤：(4)向纳流体芯片的第一液体沟道和第二液体沟道内分别注入第一液体和第二液体，所述第一液体与所述第二液体两者之间具有盐浓度差异，并将第一电极与第一液体沟道相连，第二电极与第二液体沟道相连；优选的，所述第一液体为海水，所述第二液体为淡水。按照本专利技术的又一方面，本专利技术提供了上述纳流体发电装置的应用方法，其特征在于，该方法具体是向纳流体发电装置的第一液体沟道和第二液体沟道内分别注入第一液体和第二液体，纳米沟道利用所述第一液体与所述第二液体两者之间具有的盐浓度差异，将化学势能转化为电能，该电能通过第一电极与第二电极配合输出。作为本专利技术的进一步优选，所述第一液体为海水，所述第二液体为淡水。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本专利技术制备的纳流体发电装置，使用标准微电子以及电子束曝光等工艺制备得到纳米沟道，接着再套刻制备纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道的制备以及配准腔室，制得装置的发电功率密度提高了两个量级。由于设计加工出宽度、深度和长度任意一项为纳米级的纳米沟道(尤其是深度为纳米级的纳米沟道；本专利技术中的纳米沟道其定义，与现有技术一致，只要有一个维度的尺寸在纳米级即可)，该纳米沟道优选与带有储液池、微米沟道的第一/第二液体沟道相连。通过在沟道入口和出口的储液池注入不同浓度的盐溶液，由于化学势能可驱动沟道内离子运动，而由于纳米沟道的表面电荷导致更多的异性离子沟道形成净电流以及沟道两端的电压，进而可以利用净电流以及电压对外输出电能。本专利技术通过将纳米沟道的形状参数优选控制为深度1-100nm,宽度1-400nm，长度为400-1000nm(尤其是将深度控制为1-100nm，更优选的控制为1-40nm)，能够取得更佳发电效果。并且，这一特定优选形状参数的纳米沟道，尤其适用于浓度之比大于等于1000/1的第一/第二液体。利用该沟道本专利技术尤其可以实现对海水-淡水进行能量转化及特性测试。并且，本专利技术还通过优选设计深度不同于纳米沟道的微米沟道，利用微米沟道连通储液池，能够防止PDMS在纳米沟道的塌陷。为了构建稳定的、防塌陷的纳米沟道器件(PDMS软体材料，容易塌陷从而堵住纳米沟道)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳流体发电装置，其特征在于，包括纳米沟道、以及分别位于该纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道，所述纳米沟道、所述第一液体沟道与所述第二液体沟道均位于基底上，所述第一液体沟道与所述第二液体沟道两者通过该纳米沟道相连通；其中，所述第一液体沟道用于容纳第一液体，并且与第一电极相连；所述第二液体沟道用于容纳第二液体，并且与第二电极相连；所述纳米沟道用于利用所述第一液体与所述第二液体两者之间的盐浓度差异将化学势能转化为电能，并通过所述第一电极与所述第二电极配合输出电能。

【技术特征摘要】
1.一种纳流体发电装置，其特征在于，包括纳米沟道、以及分别位于该纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道，所述纳米沟道、所述第一液体沟道与所述第二液体沟道均位于基底上，所述第一液体沟道与所述第二液体沟道两者通过该纳米沟道相连通；其中，所述第一液体沟道用于容纳第一液体，并且与第一电极相连；所述第二液体沟道用于容纳第二液体，并且与第二电极相连；所述纳米沟道用于利用所述第一液体与所述第二液体两者之间的盐浓度差异将化学势能转化为电能，并通过所述第一电极与所述第二电极配合输出电能。2.如权利要求1所述纳流体发电装置，其特征在于，所述纳米沟道的深度为1-100nm，宽度为1-400nm，长度为400-1000nm；优选的，所述深度为1-40nm。3.如权利要求1所述纳流体发电装置，其特征在于，所述第一液体沟道具体包括第一微米沟道，以及通过该第一微米沟道相连的至少2个储液池；所述第一微米沟道的深度为1-100um，宽度为1-100um，长度为1-3mm；所述第二液体沟道具体包括第二微米沟道，以及通过该第二微米沟道相连的至少2个储液池；所述第二微米沟道深度为1-100um，宽度为1-100um，长度为1-3mm。4.如权利要求3所述纳流体发电装置，其特征在于，所述第一电极为1个，这个第一电极设置在与所述第一微米沟道相连的一个储液池内；所述第二电极为1个，这个第二电极设置在与所述第二微米沟道相连的一个储液池内；优选的，所述储液池共计4个，分别位于所述基底上表面的四个角。5.如权利要求1所述纳流体发电装置，其特征在于，所述基底为SiO2基底或氧化铝基底。6.制备如权利要求1－5任意一项所述纳流体发电装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在SiO2基底上利用微纳电子工艺加工得到纳米沟道，该微纳电子工艺具体包括电子束曝光、显影、等离子体刻蚀、以及后显影；...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪向水，何毓辉，黄卓，张艳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42