一种基于镂空电极结构的水能发电及流动监测装置

1.本发明涉及发电技术与监测传感领域，特别是涉及一种基于镂空电极结构的水能发电及流动监测装置。


背景技术：

2.水约占地球表面的71%，吸收了接近地球表面的太阳辐射的70%，全球范围内高达60pw的功率。目前，水能利用的主要方式是水力发电，水电站的能源利用率高，可达85%以上，产生了世界17%的电力和70%的可再生电力。然而，这些大规模的水力发电主要依靠地势落差推动笨重的电磁发电机转动，将液体的动能转化为电能，对地形的要求限制了现有水力发电的广泛分布。
3.自然界中存在各种形式的水，包括雨滴、河水、海浪、潮汐等，也都蕴含着丰富的能量，但其中只有很少的一部分被收集。近十年来，研究发现功能材料可与雨滴、水流、水波、自然水蒸发和大气湿度等相互作用能直接输出电能，类比于光伏（photovoltaic）效应，这类生电现象被称为水伏（hydrovoltaic）效应。水基发电机基于具有移动边界的双电层（edl）（如文献“nat. commun. 2014, 5, 3582”、“nat. nanotech. 2014, 9, 378-383”、“nano energy 2019, 60, 656-660”中利用的机制）、流动势（如文献“nat. nanotech. 2017, 12, 317-321”、“acs applied electronic materials 2019, 1, 1746-1751”、“carbon 2019, 148, 1-8”中利用的机制）、水分梯度（如文献“energy & environmental science 2019, 12, 972-978”、“energy & environmental science 2019, 12, 1848-1856”、“nature 2020, 578, 550-554”中利用的机制）等机制，实现水能-电能的转换。
4.这些现有的水基发电机的结构一般包括底电极（电极位于固体材料底部，如文献“adv. mater. 2014, 26, 4690-4696”中公开的器件结构）、双电极（固体材料顶部 、底部各有一个电极，如文献“nature 2020, 578, 392-396”中公开的器件结构）、顶电极（电极位于固体材料顶部，如文献“nano energy 2021, 82, 105735”中公开的器件结构）等。受益于液滴和电极之间的直接接触，双电极产生的电压分别达到 250 v（如文献“nano energy 2022, 92, 106705”中公开的器件性能）和顶电极的 60 v（如文献“nano energy 2021, 82, 105735”公开的器件性能）左右。尽管双电极和顶电极配置在输出峰值电压方面显示出优势，但它们的性能在很大程度上取决于液滴与固体材料的撞击位置，并且由于电极直接暴露于水，不可避免地被腐蚀，导致这类装置使用年限较短，不宜作为基础水利设施应用。而对于底部电极器件，尽管其结构相对简单，但电压输出相对较低。通过引入微/纳米结构表面或电荷注入可以提高表面电荷密度从而优化此类装置的电学输出性能，但微/纳米结构同样因为多次接触、摩擦而磨损，难以维持，使用寿命短，而外部电荷注入需要百、千伏的高压，条件苛刻且相对危险，同样不利于基础设施的应用。
5.因此，有必要开发出一种既相对于现有的双电极结构而言结构简洁、同时制备简单、性能优异、安全性好并且液体与固体材料撞击位置不受限制，能够充分利用水能的发电装置。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明旨在提供了一种基于镂空电极结构的水能发电及流动监测装置，以优化液滴发电机的电学输出性能，该装置结构简单，且不受液体与固体材料撞击位置限制。
7.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于镂空电极结构的水能发电及流动监测装置，该装置由电极、疏水绝缘层、液体源组成；电极与疏水绝缘层下表面固定连接，并且电极未完全覆盖疏水绝缘层下表面，呈现“镂空”的电极/疏水绝缘层结构；液体源位于疏水绝缘层上方，液体源内设有导电液体，导电液体可以连续或间断地与疏水绝缘层上表面接触并随之产生相对运动，从而伴有边缘处电极上方接触区域表面电荷接触面的面积动态变化，导致在电极与接地极之间产生抗衡电荷的移动；疏水绝缘层与液体接触的上表面带有电荷（可以为正电荷或者负电荷）。该表面电荷的获得为本领域常规方式，可以是包括但不仅限于高压注极（如文献“journal of materials chemistry a 2021, 9, 21357-21365”中公开的注极方式）、电润湿注极（如文献“phys. rev. lett. 2020, 125, 078301”中公开的注极方式）等注极方式以及自然存储、运输或其他人为操作引起的摩擦起电（如文献“acs nano, 2014, 8, 6031-6037”、“adv. mater. interfaces 2019, 6, 1901547”中公开的注极方式）等方式获得的表面电荷。本技术中，对疏水绝缘层2表层的表面电荷的电荷量的范围没有要求，只要存在电荷量就会有电信号，电荷量大小影响电信号大小。本技术的一个实施例中，表面电荷为表面束缚电荷，该束缚电荷可以是正表面电荷、负表面电荷，可以是均匀分布表面电荷、梯度分布表面电荷以及其它任意设计分布的表面电荷。
8.进一步，疏水绝缘层的厚度优选10nm-150
µ
m；其材质可以选择任何疏水绝缘性的材料，包括但不限于低表面能的聚合物材料（如文献“颜肖慈, 罗明道．界面化学. 北京: 化学工业出版社. 2005,112-172”所公开），例如聚四氟乙烯（ptfe）、聚二甲基硅氧烷（pdms）、无定形氟聚物（teflon af）、聚酰亚胺（pi）、聚氯乙烯(pvc)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、硅橡胶等中的至少一种。
9.进一步，疏水绝缘层的底部固定设置电极；该电极的材质包括但不限于金属、碳纳米管、导电聚合物、银浆等具有良好导电性的材料，其形式可以是导电胶带、导电膜或导电极片。电极可以通过包括但不限于蒸镀、磁控溅射、刷涂、浸涂、粘接导电材料等常规方式固定设置于疏水绝缘层的下表面。
10.本技术中，液体源中的液体可以是任意导电液体、混合液体、含离子溶液、液态金属等液态形式的物体，优选含离子的液体；例如，去离子水、nacl溶液、kcl溶液、licl溶液、naoh溶液、koh溶液、江水、河水、湖水、海水、雨水、泉水、井水、城市生活用水等。
11.本技术中，液体与疏水绝缘层上表面接触并产生相对运动，所述相对运动可以是动态液体相对于固定疏水绝缘层、固定液体相对于运动疏水绝缘层之间的运动，液体包括但不限于是运动的液滴、湍流、海浪、潮汐等多种形式动态水，其中运动的液滴包括但不限于由一定高度滴落的运动液滴以及任意外力挤压、拖动等导致的运动液滴，疏水绝缘层运动可以是任意外力引起的任意运动。液体与疏水绝缘层接触并产生相对运动，同时伴有边
缘处电极上方接触区域表面电荷接触面的面积动态变化是指，液体与底部含电极的疏水绝缘层区域的接触、铺展、收缩、滑动的相对运动使得固液接触面的面积变化，液体须得同时接触底部含电极与不含电极的疏水绝缘层区域，从而将电极边缘外的接触区引入静电感应体系，导致抗衡电荷在所述电极与接地极之间移动，方能输出可测的电信号。所述的电极中镂空区域横、纵间隔可依据不同的器件效果对应设定，从而得到最优的输出性能。
12.在实际应用中，为帮助液体更好地从疏水绝缘层上表面滑落，形成相对运动，在使用时，发电装置优选与水平面倾斜一定角度放置，该角度可以是0
°
~90
°
之间任意值。如30
°
、45
°
、60
°
、75
°
等。
13.与现有技术相比，本发明的突出优点在于：1）相比于疏水绝缘层底部满覆盖电极的水能发电装置（如文献“adv. mater. 2014, 26, 4690-4696”中的发电装置），本发明提出了一种全新、低成本的机制：通过设置镂空电极，边缘处电极上方接触区域表面电荷接触面的面积变化，导致在所述电极1与接地极之间产生抗衡电荷的移动，从而获得可观的电学输出，可监测对应的液体动态。
14.本发明水-电能转换具体为：当液体与带有表面电荷和底部镂空电极的疏水绝缘层接触，电极边缘外的接触区即被连接至电极的静电感应区；随着边缘处电极上方接触面的大小变化，所述电极1与接地极之间产生抗衡电荷的移动；在此过程中，抗衡电荷的移动形成了电流。
15.2）本发明结构简洁，制备简单，镂空电极成本降低，液体未与电极直接接触，避免了电极腐蚀、老化的问题，大大延长了器件的使用寿命，并且对所有在电极边缘处表面电荷接触面上产生面积变化的动态液体均适用，包括但不限于液滴、湍流、海浪、潮汐等，实现了对水资源的充分利用，并能对液体在疏水绝缘层表面形态变化以及液体从层流到湍流的流动状态转换进行流动监测。
16.3）本技术利用液体在疏水绝缘层表面的形态变化对应着电荷接触面的面积变化，从而产生电信号，因此利用电信号可监测流动过程中液体在绝缘层表面的形态变化，从而实现从层流到湍流的转换监测。
附图说明
17.图1是本发明实施例基于半覆盖式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置的工作示意图。
18.图2是本发明实施例基于半覆盖式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置的电极在疏水绝缘层下方的分布实物图片（水能发电及流动监测装置仰视图）。
19.图3是本发明实施例基于半覆盖式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置实施例的电流信号实验结果。
20.图4是本发明实施例基于半覆盖式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置实施例的电压信号实验结果。
21.图5是本发明实施例基于阵列式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置的结构示意图。
22.图6是本发明实施例基于阵列式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置电极结构示意图。
23.图7是本发明实施例基于阵列式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置的电极实物图片（仰视图）。
24.图8是本发明实施例基于阵列式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置的电压信号实验结果。
25.图9是本发明实施例基于阵列式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置的电压信号实验结果。
26.图10是本发明实施例基于阵列式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置的电压信号实验结果。
27.图中，1-电极；2-疏水绝缘层；3-液体源。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细描述，实施例仅仅对本发明进行解释和说明，本发明并不仅限于此实施例，基于本发明的实施例，相关技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
29.实施例中使用的ptfe膜购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司（厚度约为127
µ
m）。
30.实施例1 制备基于半覆盖式镂空电极结构的水能发电及流动监测装置如图1所示，一种基于镂空电极结构的水能发电及流动监测装置，该装置由电极1、疏水绝缘层2、液体源3组成；电极1与疏水绝缘层2底部固定连接，并且电极1未完全覆盖疏水绝缘层2下表面，呈现“半覆盖式镂空”的电极/疏水绝缘层结构。液体源3位于疏水绝缘层2上方，液体源3内的液体可以与疏水绝缘层2上表面接触并产生相对运动。本实施例中，该水能发电及流动监测装置相对于水平面倾斜45
°
放置。在具体实施中，该发电及流动监测装置可以与水平面形成任意角度，只要确保液体源3内的液体可以与疏水绝缘层2上表面接触并随之产生相对运动，均可实现发明之目的。图2是本实施例的半覆盖式镂空电极1在疏水绝缘层2下方设置的实物图片（水能发电及流动监测装置仰视图）。
31.本实施例中，电极1为片状电极，长6cm，宽 3cm，厚度约100nm，材质为au；电极1自疏水绝缘层2的底部延伸覆盖至中部（半覆盖式镂空）；电极1通过磁控溅射至疏水绝缘层2下表面（实验装置），该溅射技术为本领域常规技术，本实施例中使用的磁控溅射技术为文献“applied physics letters, 2014, 104, 183106”中公开的电极制作方法。此外，同时设置与疏水绝缘层2形状完全相同的电极1（全覆盖）作为对比试验装置。
32.电极1通过测试设备低噪音电流放大器stanford research system sr570、示波器siglent sds2352x plus 与接地极相连。
33.本实施例中，疏水绝缘层2的材质为厚度127μm的ptfe膜，裁剪为长6cm，宽6cm的方形。在具体实施中，为维持疏水绝缘层表面在自然存储、运输、取用等过程中（未经任何人工处理）摩擦获得的带负电的表面电荷稳定，实验前ptfe膜仅用去离子水冲洗，而后氮气吹干。
34.在疏水绝缘层2上方设有液体源3，本实施例中，液体源3为医用滴管其内装有 60μl电阻率为18.2 mω
·
cm的去离子水，取自北京历元电子仪器有限公司超纯水机upw-10n，去离子水经由医用注射器滴管出口不断提供滴落至疏水绝缘层2上表面，并随之相对运动。
在具体实施中，也可以采用其他方式设置液体源3，只要确保液体源3内的液体可以与疏水绝缘层2上表面接触并随之相对运动，均可实现发明之目的。
35.本实施例中，发电装置相对于水平面倾斜45
°
放置。液体源3内的液体由60μl去离子水以约1 hz的频率从电极边缘上方20cm高度处零初速开始滴落至疏水绝缘层2上表面获得，随之在位于电极1边缘区域上方的疏水绝缘层2上表面接触、铺展、收缩、滑动，使得电极边缘外接触区域参与静电感应，电极上方接触面的面积动态变化导致抗衡电荷在电极1与接地极之间移动，从而产生电流。图3显示了实验装置（半覆盖式镂空）与对照装置（全覆盖）的电流信号实验结果，其中，实验装置电流的平均峰值约为-6.4 μa，对照装置电流与背景噪音信号（约
±
0.1μa）相当，难以识读。
36.图4是实施例实验装置（半覆盖式镂空）和对照装置（全覆盖）的电压信号实验结果，其中，实验装置电压的平均峰值约为-8.1 v，对照装置电压平均峰值约为-0.2v。
37.图3和图4的对比实验结果证明实验装置（电极未完全覆盖疏水绝缘层）具有优异的电学输出及流动监测性能。
38.实施例2 图5是本发明的又一个水能发电及流动监测装置的结构示意图，该装置由电极1、疏水绝缘层2、液体源3组成；本实施例中，电极1为片状，固定设于疏水绝缘层2的下表面，液体源3内的液体可以与疏水绝缘层2上表面接触并产生相对运动，本实施例中，水能发电及流动监测装置相对于水平面倾斜45
°
放置。
39.实施例中，片状电极1由阵列式镂空结构的导电铝胶带（购自3m公司， 431货号铝胶带）粘贴固定于在疏水绝缘层2的下表面。实验组电极1的结构示意图如图6所示，其中构成阵列的单个矩形导电铝胶带单元尺寸为1cm
×
0.2cm，其实物图仰视图如图7所示。实验组电极1未完全覆盖疏水绝缘层2的下表面，同时设置电极1完全覆盖疏水绝缘层下表面（即以导电铝胶带完全覆盖于疏水绝缘层2的下表面）的对照组。
40.本实施例中，疏水绝缘层2材质同实施例1相同，为维持疏水绝缘层表面的带负电的表面电荷稳定，实验前ptfe膜仅用去离子水冲洗，而后氮气吹干。
41.在疏水绝缘层2上方有液体源3，本实施例中，液体源3内的液体与实施例1中相同，为60μl电阻率为18.2 mω
·
cm的去离子水（来源同实施例1）。
42.当液体源3内的液体由60μl去离子水以约1 hz的频率从疏水绝缘层2上方20cm高度（高度影响液滴最初接触绝缘层表面的速度，对实验的电信号大小有影响，本技术中对高度没有限制，只要有高度就有信号产生）平面内随机位置处开始滴落至疏水绝缘层2上表面获得，随后在带有负表面电荷的疏水绝缘层表面接触、铺展、收缩、滑动，使得抗衡电荷在电极1和接地极之间产生移动以形成电流。
43.图8是本实施例实验组（阵列式镂空）和对照组装置（全覆盖）的电压信号检测结果，可见，实验组电压的平均峰值约为-6.9v，对照组电压平均峰值约为-0.2 v，该对比说明本实施例的器件装置具有优异的电学及流动监测输出性能。
44.实施例3本实施例实验装置除液体源3（液体）为城市室内水龙头出口流出的连续自来水湍流（出水口直径约为5 mm，本实施例中水流平均流速约为0.5 m/s）外，其他均与实施例2实验装置相同。在本实施例中，液体3由疏水绝缘层2上方约20cm高度处的自来水水龙头出口
流下获得，随后与疏水绝缘层2上表面接触并无序流动。其余实施步骤与实施例2相同。
45.本实施例同时设置导电铝胶带（电极）完全覆盖于疏水绝缘层2的下表面的对照装置。
46.本实施例的电压测试结果如图9所示，实验装置（阵列式镂空）平均峰值约为-24.6 v，对照组装置（全覆盖）电压平均峰值约为-0.8 v，对比说明本实施例的器件装置具有优异的电学输出及流动监测性能。
47.实施例4本实施例中实验装置与实施例3不同的是，液体源3（液体）为城市室内水龙头出口流出的连续自来水低速时的层流和高速时的湍流（本实施例中出水口直径约为5 mm，低速时平均流速约为0.06 m/s，高速时平均流速约为0.5 m/s）。
48.在本实施例中，液体由疏水绝缘层2上方约20cm高度处的自来水水龙头出口流下获得，随后低速时的层流、高速时的湍流依次与疏水绝缘层2表面接触并相对流动。其余实施步骤与实施例3相同。
49.本实施例的电压测试结果如图10所示，由图10可见，当水流从层流转变为湍流时，电压信号由接近于0突然增大至-25.2 v的平均值，说明本实施例的器件装置具有对液体从层流到湍流的流动状态转换的灵敏监测性能。
50.以上是对本发明的一些具体实施例进行了说明，但本发明并不限于所述实施例，相关技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。