一种水伏发电材料、发电器件及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种水伏发电材料、发电器件及其制备方法和应用，属于纳米复合材料的水发电技术领域。本发明专利技术提供一种水伏发电材料，所述水伏发电材料是在带负电的多孔超薄膜表面覆上金属层制得，其中，所述多孔超薄膜的厚度≤200nm。本发明专利技术提供一种新的水伏发电材料，所得水伏发电材料进一步制得的发电器件用于水发电时，离子溶液可实现不在金属导体的表面运动，而是穿过负电且超薄多孔的基底膜与导体相互作用从而实现水发电。本发明专利技术所得水伏发电器件可以大幅提升发电的电流，降低水伏发电器件的电阻，提高动电转换；发电电流可提升至10～15μA，器件电阻降低至30～400Ω。器件电阻降低至30～400Ω。器件电阻降低至30～400Ω。

【技术实现步骤摘要】
一种水伏发电材料、发电器件及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种水伏发电材料、发电器件及其制备方法和应用，属于纳米复合材料的水发电


技术介绍

[0002]近年来，由于自然资源日益枯竭，各个国家开始重视太阳能、风能或者水能等可再生能源的利用。水是地球上最丰富的资源之一，大约百分之七十的地球表面都被水覆盖。目前随着纳米科学的高速发展，已有大量关于利用纳米材料将水的动能转化为电能的研究。这些纳米材料具有非常大的比表面积，其原子或基团大量暴露在空气中，所以对外界环境高度敏感，与水相互作用时有望产生丰富的电能。
[0003]水伏效应是一种通过纳米材料和各种形式的水(雨滴，波浪，流动，水分的自然蒸发)之间的直接相互作用来发电的新兴技术。水伏发电是近些年提出的能量收集概念，指利用环境中各种形式的水中的潜在能量来获取电力，原理为基于水与材料界面处，双电层边界运动诱导的离子流使导体中载流子定向运动，从而将水中化学能转化为电能，是打破传统能源发电模式的一种新手段。
[0004]目前有大量研究利用液滴在纳米材料表面运动而产生电能。液滴、纳米功能材料和基底的电荷相互作用在发电中起着至关重要的作用，通常液滴中的离子被基底的负电吸引，所以在界面处的双电层中出现较多的净吸附阳离子，进而诱导功能材料中载流子定向运动。目前该领域的发展壁垒在于，首先，功能材料的选择受限，目前仅限于石墨烯这种超薄导电纳米材料，因为其它功能材料无法做到石墨烯这样的原子级厚度，所以会屏蔽基底的负电荷，进而无法完成液滴
‑
>基底
‑
功能材料的电荷相互作用，故不能用于该领域。其次，产生的电流低，因为以石墨烯为代表的功能材料制备的发电器件电阻较高，所以只能产生几百纳安的电流；另外，无法持续发电，因为液滴与功能材料的作用往往是瞬时的，所以发电器件只能产生峰值信号；最后，单层石墨烯价格昂贵，转移过程复杂，器件容易在外力作用下受损。

技术实现思路

[0005]基于上述水发电器件中功能材料选择难度大，发电电流低，无法持续发电，器件耐久性差等技术缺陷；本专利技术提出一种新的水伏材料，其是以表面带负电的超薄(厚度≤200nm)多孔膜为基底，在其表面覆上金属导体制得，所得水伏发电材料进一步制得的发电器件用于水发电时，离子溶液可实现不在导体(功能材料)的表面运动，而是穿过负电且多孔超薄的基底膜与导体相互作用从而实现水发电；可见，本专利技术不同于传统的动电效应中离子溶液在导体表面运动，提供了一种新的不同于传统的基于动电效应的水发电机制。利用本专利技术所得的水伏发电材料制得的水伏发电器件可以大幅提升发电的电流，降低器件电阻，提高动电转换；发电电流可提升至10～15μA，器件电阻降低至30～400Ω。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种水伏发电材料，所述水伏发电材料是在带负电的多孔超薄膜表面覆上金属层制得，其中，所述多多孔超薄膜的厚度≤200nm。
[0008]进一步，所述带负电的多孔超薄膜为超高分子量聚乙烯多孔薄膜。
[0009]进一步，所述金属层中的金属选自铂、银、金、铜或铝等。
[0010]优选的，所述多孔超薄膜的厚度为50～200nm；更优选为90～120nm。
[0011]本专利技术要解决的第二个技术问题是提供上述水伏发电材料的制备方法，所述制备方法为：在带负电的多孔超薄膜表面均匀覆上金属层即可。
[0012]进一步，所述制备方法为：在带负电的多孔超薄膜表面通过电镀、喷涂、溅射或真空蒸镀等方法将金属层覆在多孔超薄膜的表面，然后退火处理制得所述水伏发电材料。
[0013]进一步，所述金属层的厚度为50～500nm。
[0014]优选的，所述超高分子量聚乙烯多孔薄膜(UHMWPE多孔薄膜)的zeta电位为
‑
70～
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85mV。
[0015]本专利技术要解决的第三个技术问题是指出上述水伏发电材料在水发电器件、环境能源获取器件或柔性自供能器件中的用途。
[0016]本专利技术要解决的第四个技术问题是提供一种水伏发电器件，所述发电器件是由上述水伏发电材料两端装上电极和导线制得。
[0017]进一步，所述电极为银、石墨或碳纳米管等导电材料。
[0018]进一步，所述导线为铜线或铜胶带等。
[0019]进一步，所述水伏发电器件采用下述方法制得：在所述水伏发电材料中的基底膜两端涂银浆制得发电器件的电极，经退火使银浆固化，退火温度70～90℃，退火时间45min～60min；再将银浆和铜线连接；并在固化后的银浆表面涂硅胶将其密封，避免电极和水接触发生电化学反应。
[0020]本专利技术要解决的第五个技术问题是指出超高分子量聚乙烯多孔薄膜在水伏发电材料中的用途，将所述超高分子量聚乙烯多孔薄膜表面覆上金属层即可；其中，所述多孔超薄膜的厚度≤200nm。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022](1)本专利技术提供一种新的水伏发电材料，以表面带负电的超薄多孔膜为基底，在其表面覆上金属导体制得，所得水伏发电材料进一步制得的发电器件用于水发电时，离子溶液可实现不在导体的表面运动，而是穿过负电且超薄多孔的基底膜与导体相互作用从而实现水发电。可见，本专利技术不同于传统的动电效应中离子溶液在导体表面运动(在传统的动电效应中，离子溶液在功能材料表面运动，导致基底的负电被功能材料屏蔽，所以离子(液体中)
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电荷(基底表面)相互作用变弱，并且功能材料也只能选择石墨烯这样的超薄材料，否则基底的负电荷会完全被屏蔽)，提供了一种新的不同于传统的基于动电效应的水发电机制(面外动电效应)。
[0023](2)基于面外动电效应，本专利技术可以将基于动电效应的水发电材料拓展至任意导电材料，如铂、银等。
[0024](3)本专利技术所得水伏发电器件可以大幅提升发电的电流，降低水伏发电器件的电阻，提高动电转换；发电电流可提升至10～15μA，器件电阻降低至30～400Ω。
[0025](4)本专利技术提出的面外动电效应，不仅可以产生峰值电压，在液滴与器件相互作用
后，可以产生长达1h的持续发电。
[0026](5)本专利技术中通过对发电机制的创新，可以解放功能层的选择与制备；与传统器件中的石墨烯相比，本专利技术中的功能层的制备简单，制备方法可靠性高，并且器件不易在外力作用下破损，提升了实用性。
附图说明：
[0027]图1为传统动电效应的发电机理(面内动电)和本专利技术中基于动电效应的发电机理(面外动电)示意图：a为常规超薄导体的面内动电机理示意图，b为使用厚导体的面内动电机理示意图，c为本专利技术对比例1，即使用常规超薄导体的面外动电机理示意图，d为实施例1和实施例2，即使用厚导体的面外动电机理示意图。
[0028]图2为实施例1所得UHMWPE超薄膜的电位图；图中，点1、点2、点3和点4分别指测试时在薄膜四个位置采样的zeta电位，平均值为四个位置的ze本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水伏发电材料，其特征在于，所述水伏发电材料是在带负电的多孔超薄膜表面覆上金属层制得，其中，所述多孔超薄膜的厚度≤200nm。2.根据权利要求1所述的一种水伏发电材料，其特征在于，所述带负电的多孔超薄膜为超高分子量聚乙烯多孔薄膜。3.根据权利要求1或2所述的一种水伏发电材料，其特征在于，所述金属层中的金属选自铂、银、金、铜或铝。4.根据权利要求1或2所述的一种水伏发电材料，其特征在于，所述多孔超薄膜的厚度为50～200nm。5.权利要求1～4任一项所述水伏发电材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：在所述带负电的多孔超薄膜表面均匀覆上金属层。6.根据权利要求5所述水伏发电材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：在带负电的多孔超薄膜表...

【专利技术属性】
技术研发人员：李润莱，孙威龙，傅强，张琴，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：