材料研究

一、案例项目简介

1. 项目背景

随着全球能源需求日益增长同时对环境保护的重视，传统化学能发电已逐渐不适应当代社会的复杂要求。同时能源的需求和应用领域也越发多样化，基于这些现实需求，云南某大学的张博士为解决这些问题，他以新材料为切入点，重点关注新材料的发电研究：基于纳米材料的水伏发电及其发电性能。希望以此为突破点，推动新能源发展以及促进能源多样化供应。

2. 项目痛难点

(1) 研究纳米材料种类多样

(2) 多种纳米材料需要在同一测试条件下进行发电性能比对

(3) 确定纳米材料发电功率及最佳发电条件

二、纳米材料发电及纳米材料水伏发电

1. 纳米材料发电种类

纳米技术经历了几十年的发展，现在已经走入人们的日常生活中，各种纳米材料目前在世界范围 内得到了广泛的应用。纳米器件拥有尺寸小、功耗低、反应灵敏等特点，但纳米器件的运行必须 有电池和集成电路的支持，目前无法达到绝对意义上的最小化。为解决这一问题，院士王中林教 授2006年首次提出纳米发电机的理念，使纳米发电机的研究成为微型能源研究领域的热点， 进而开辟了纳米材料发电这一新兴的学科领域。纳米材料发电目前有几种技术路线：

      (1) 纳米压电发电

纳米压电电子学原理是利用原子力显微镜探针，压迫氧化锌纳 米线产生弯曲，使锌离子和氧离子产生了电势能并形成电流。 在此基础上，选用兼具压电效应和半导体效应的氧化锌，利用 纳米线、纳米薄膜等材料的结构特性，成功发明了纳米发电 机，实现了将周围环境中的机械能转化成电能的目标。另外， 利用超声波等其他方式，也可为纳米压电材料提供机械能。

(2) 纳米热释电发电

利热释电(Pyroelectric)纳米发电机是一种能量收集装置，它能 够利用纳米结构的热释电材料把外界的热能转换成电能。通 常，热能的收集主要依靠器件两端的温差驱动载流子扩散的塞 贝克效应。

(3) 纳米静电摩擦发电

利用日常生活中摩擦起电这种静电现象，可产生足够的能量。而采用纳米技术来制造特定材质的两种摩擦表面，还可以使摩擦有效面积扩大，从而提供更强的摩擦并转换出比压电效应更为客观的电能。

(4) 纳米水伏发电

通过纳米结构与水的流动、波动、滴落和蒸发直接相互作用来发电的能量转换效应，被称为水伏效

（hydrovoltaic effect），也称纳米水伏发电，这种效应为解决柔性传感系统的能源可持续供给提供了新思路。

2. 纳米材料水伏发电

地球表面70％以上都被天然水体覆盖，是含量最丰富的资源之一。无论地理位置或环境条件如何改变，天然水都可以通过吸收热能而自发地流动和蒸发。通过纳米结构与水的流动、波动、滴落和蒸发直接相互作用来发电的能量转换效应，被称为水伏效应（hydrovoltaic effect），这种效应为解决柔性传感系统的能源可持续供给提供了新思路。然而，如何在变形条件下实现稳定发电和高输出功率，并实现轻量化、柔性化可穿戴传感微系统依然面临很多挑战。以上为水伏发电的几个技术路径：、

(1) 水滴注入电荷纳米发电

(2) 水流机械通过纳米材料

(3) 水汽蒸腾纳米发电

三、方案说明

1. 测试要求

(1) 实时测试多种纳米材料在同一水条件下的发电情况

(2) 不同纳米材料的发电条件不同，并需要数据记录

(3) IV曲线扫描

2. 测试方案结构

方案一、单通道纳米水伏发电测试

方案二、多通道水伏发电纳米材料分选

3. 测试原理及指标

蒸腾驱动发电机：在含有炭黑涂层的不对称湿棉布上，由毛细流动的水驱动进行发电，可产生最 大电压0.53 V, 最大电流3.91μA,最大能量密度1.14 mWh cm?3。由多个蒸腾驱动发电机组 装产 生的能量，足以点亮一个20 mA×2.2 V的发光二极管，或为一个1 F容量的超级电容器充电。

上图为不同液体对蒸腾纳米驱动发电机的影响；

(A) 各种类型和极性的液体对蒸腾纳米发电机的V_OC的影响

(B) 不同阳离子大小的盐溶液在不同条件下对TEPG的V_OC的影响，

(C) 不同pH值的盐酸溶液下，测试出V_OC的值，

(D) 湿碳与干碳电位差及电流流向示意图，

(E) 湿/干界面拟流行为和电流产生的机理示意图，

(F) 蒸腾纳米发电机的蒸发和吸附示意图

4. 扫描及图示

(A) TEPG运行示意图

(B) (B)测量TEPG的VOC、ISC和电阻分布

(C) (D) (E) (F)为不同情况下，测量VOC的分布情况

5. 选型依据

以量程及最小测量精度为标准，同时支持等效电阻测试。