一种单电极液滴发电机及其制备方法

1.本发明涉及固
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液界面发电设备技术领域，尤其是一种基于体效应工作原理的、具有普适意义的单电极液滴发电机及其制备方法。


背景技术：

2.人类的持续发展和经济增长需要新的战略以应对巨大的能源挑战。目前化石燃料，如煤炭，石油和天然气仍然是能源的主要来源，然而燃烧化石燃料对环境的污染已经引起了世界的广泛关注。因此，对于可再生能源的开发是人们一直追求的目标。水能因其在地球上的丰富形式和丰富程度而受到广泛关注。
3.早期的水能采集主要限制在水源附近，利用水磨将水的动能转化为机械能，到了20世纪水力发电业中，利用电磁发电机进行水利发电。这两种技术对水能的利用都受到水源地理位置的限制。自然界中其它形式的水能，如雨滴能、渗透能、蒸发能等，尚未得到有效利用。为了推动水能采集向更广泛的实际应用方向发展，人们开始在大尺度如河流/海洋，小尺度如雨滴等方面，基于电动力学效应、水伏效应、渗透压差效应、接触起电效应、体效应等原理对水能进行采集。
4.其中代表性的、基于接触起电原理构建的摩擦电纳米发电机(teng)，将电极排列在介电材料背面。静电能是通过水与介质材料之间的摩擦起电和静电相互作用获得的。固液界面存在界面屏蔽效应。虽然已经报道了一种新型基于水滴的发电机(deg)的发展，它具有类似晶体管的结构，可以打破界面效应。尽管输出性能有了显著提高，但双电极的需要也对介电材料的选择以及能量收集的位置造成了一些限制。现有的基于固液界面能量收集的发电机对材料以及能量收集的位置具有一定的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种基于体效应工作原理、具有普适意义的单电极液滴发电机及其制备方法，仅需要一个疏水表面、导电电极、引线、地和液滴，将电极放置在疏水表面上，当液滴撞击在疏水表面铺展并接触到电极的瞬间，地与电极之间产生的电流由引线将其输出。可以在任何材料表面、任何地方进行固液界面能量收集，且制备工艺简单且可重复，尺寸可调控，相比于传统的摩擦纳米发电机的静电感应和摩擦发电，其输出电能有了成百倍的增加，制备成本低，输出电能高，输出的电能可以储存在电容器中，驱动微小型电子器件工作，在微电子领域具有很好的应用前景。单电极的液滴发电机突破了材料选择和操作位置的限制，开辟了基于固
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液界面的水动能收集的新领域。
6.本发明的目的是这样实现的：一种单电极液滴发电机，该单电极液滴发电机包括电极、固体表面、引线及液滴，所述电极为导电金属针，放置在固体表面上；所述固体表面为任意固体的表面；液滴为自来水滴、去离子水滴、盐水滴（nacl）或无机盐溶液液滴（如cuso4、kno3、cacl2）；引线为金、银或铜导电金属线，与电极连接；当液滴滴落在固体表面铺展，接触到电极的瞬间，电流产生并
由引线将其输出；其中，所述盐水的浓度为mol/lmol/l，无机盐溶液的浓度为mol/lmol/l。
7.所述固体表面（12）为任意固体表面，包括人工材料和自然材料。
8.所述人工材料为ptfe、fep、pa6驻极体材料时，表面设有增加转移电荷量的微结构。
9.所述微结构为化学刻蚀工艺制备的具有1～200微米、1纳米～1微米或其两者复合的粗糙结构。
10.一种所述的单电极液滴发电机的制备方法，该方法包括如下步骤：步骤1：疏水表面的构建若固体表面为疏水性的，则固体表面无需处理；若固体表面为亲水性的，则在固体表面喷洒neverwet防水涂层，待溶剂挥发后，亲水性的固体表面变为疏水性；步骤2：设置电极采用金、银、铜或铝材质的导电金属针作为电极，将电极与导线连接，将连接导线的电极放置在固体疏水性表面；向固体疏水性表面滴加液滴，当液滴下落撞击在固体疏水性表面铺展，接触到电极的瞬间，电极输出电信号，制得单电极液滴发电机。
11.所述电极为采用蒸发、溅射或化学湿法沉积工艺制备的铝、铜或银导电金属针。
12.所述液滴为自来水滴、去离子水滴、盐水滴（nacl）或无机盐溶液液滴（如cuso4、kno3、cacl2）；其中，所述盐水的浓度为mol/lmol/l，无机盐溶液的浓度为mol/lmol/l。
13.本发明与现有技术相比具有制备工艺简单且可重复，尺寸可调控，利用体效应发电，相比于传统的摩擦纳米发电机的静电感应和摩擦发电，其输出电能有了成百倍的增加，电极的设计可有效利用水与固体表面产生的摩擦电荷，而无需通过静电感应过程，打破了界面效应，可以大大提升发电机的电能输出，该单电极液滴发电机可以构建在任何表面上收集水动能，输出电信号稳定且可以储存，可驱动微小电子器件工作，而且生产成本低，突破了材料选择和操作位置的限制，开辟了基于固
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液界面的水动能收集的新领域。
附图说明
14.图1为本发明单电极液滴发电机的结构示意图；图2、图3为单电极液滴发电机工作机理示意图；图4为疏水表面制备单电极液滴发电机示意图；图5为亲水表面制备单电极液滴发电机示意图；图6为芦荟表面单电机液滴发电机输出电信号曲线图；图7为石头表面单电机液滴发电机输出电信号曲线图。
具体实施方式
15.参阅图1，本发明由金属电极11、任意固体表面12、引线13和液滴14组成，所述金属电极11可以为金、银、铜或铝材质；所述固体表面12可以为人工材料表面，如ptfe、fep、pa6
等驻极体材料，也可以为自然材料表面，如木头、芦荟表面、蝉翼表面等等，所述液滴14可以是自来水滴、去离子水滴、盐水滴（盐水的浓度范围在mol/lmol/l）或无机盐溶液液滴（如cuso4、kno3、cacl2，无机盐溶液的浓度范围在mol/lmol/l）。当液滴14下落接触到固体表面铺展，直至接触到金属电极的瞬间，金属电极11与大地之间有电流产生，产生的电流由连接金属电极11的引线13将其输出。
16.参阅图2
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3，本发明是这样发电的：固体表面12可分为易带正电荷或易带负电荷，将电极11进行引线后连接电压表v观察电信号。
17.参阅图2，12为易带负电荷的表面，当液滴14下落(图2a)，接触易带负电荷的表面12，与固体表面12摩擦，并向12中注入负电荷(图2b)，随着液滴14的不断铺展，直到触碰电极11(图2c)，电极11由于被带负电的固体表面12的电场所极化，电极11带正电，从而吸引了液滴14中大量的负电荷，与此同时，带负电的固体表面12吸引了大量正电荷，在电极11与地之间有电流产生，方向由电极11指向地(图2c)，之后液滴收缩，离开表面12(图2d)。
18.参阅图3，12为易带正电荷的表面，当液滴14下落(图3a)，接触易带正电荷的表面12，与固体表面12摩擦，并向12中注入正电荷(图3b)，随着液滴14的不断铺展，直到触碰电极11(图3c)，电极11由于被带正电的固体表面12的电场所极化，电极11带负电，从而吸引了液滴14中大量的正电荷，与此同时，带正电的固体表面12吸引了大量负电荷，在电极11与地之间有电流产生，方向由地指向电极11(图3c)，之后液滴收缩，离开表面12(图3d)。
19.下面以单电极液滴发电机的制备对本发明作进一步的详细说明。
20.实施例1在疏水表面构建单电机液滴发电机参阅图4，在疏水表面构建单电极液滴发电机的具体制备如下：步骤1：设置电极采用金、银、铜或铝材质的导电金属针为电极11，将其放置在疏水表面12。最后将电极进行引线13，当液滴14下落接触到电极11时，在电极11端有电信号产生，即完成了在疏水表面上单电极液滴发电机的构建。
21.实施例2在亲水表面构建单电机液滴发电机参阅图5，在亲水表面构建单电极液滴发电机的具体制备如下：步骤1：疏水表面的构建固体表面12表现亲水特性时，需要在固体表面喷洒neverwet防水涂层，待溶剂挥发后，亲水的固体表面变为疏水。
22.步骤2：设置电极采用金、银、铜或铝材质的导电金属针11，将其放置在上述制备好的疏水表面12。将电极进行引线13，当液滴14下落接触到电极11时，电极11输出电信号，即完成了在疏水表面上单电极液滴发电机的构建。
23.实施例3在芦荟表面构建单电极液滴发电机及发电信号测试将实施例1中的疏水表面12更换为芦荟表面，芦荟表面呈现疏水特性。将导电电极11放置在芦荟表面，水滴下落撞击到芦荟表面并铺展，接触到电极11，电极11输出电信号，
产生的电信号信息参阅图6。
24.实施例4在石头表面构建单电极液滴发电机及发电信号测试将实施例1中的疏水表面12更换为石头表面，石头表面呈现亲水特性，需在石头表面喷涂neverwet构建疏水表面。疏水表面构建完成后，将导电电极11放置在石头表面，水滴下落撞击到石头表面并铺展，接触到电极11，电极11输出电信号，产生的电信号信息参阅图7。
25.以上仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明的权利要求范围之内。