[发明专利]将以离子浓度梯度形式储藏的自由能转化为电能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自由能转化为电能的方法，特别是涉及一种将以离子浓度梯度形式储藏的自由能转化为电能的方法。

背景技术

许多生物体中存在能够积累和转化环境中的能量的功能结构，比如通过各类的具有选择性的离子通道(ion channel)和离子泵(ion pump)。其中一个例子是电鳗鱼(electric eel)，它能够产生巨大的电能输出用于捕猎或者自卫。在生物体内这种微纳功能结构的启发下，现代纳米制造技术可以帮助人类实现这一类环境清洁能源向电能的转化。

近年来发展起来的基于固体材料的纳米尺度的流体通道(solid-state nanofluidicchannel)，由于具有较大的比表面积，且通道内壁上通常带有净余电荷(表面电荷)，表面电荷对于纳流体通道内的离子输运特性起到决定性的作用。由于表面电荷的存在，与表面电荷异号的离子会比与表面电荷同号的离子被优先输运，这一特性通常被称为离子选择性。当纳流通道两端的溶液中存在离子浓度梯度时，溶液中的离子在其浓度梯度的推动下扩散通过纳流通道表面附近双电荷层(electrical double layer)时，在表面电荷的作用下发生电荷分离。由带电纳流通道形成的离子选择性提供了一种使环境溶液中正负电荷有效分离的手段，可以利用这种由离子选择性导致的电荷分离效应，将电解质溶液中离子浓度梯度形式储藏的自由能转化成为电能。

发明内容

本发明的目的是提供一种将以离子浓度梯度形式储藏的自由能转化为电能的方法。

本发明提供的将以离子浓度梯度形式储藏的自由能转化为电能的方法，是将开设有纳米孔、纳流沟道或微流沟道的基质置于所述基质的两端存在离子浓度梯度的电解质中，利用纳米孔、纳流沟道或微流沟道的离子选择性，将所述电解质中的阴阳离子进行分离，从而形成净电流，完成所述将以离子浓度梯度形式储藏的自由能转化为电能的方法。

该方法包含两个必需的条件：a、内壁带电的具有离子选择性的纳米孔或微/纳流沟道；b、纳米孔、纳流沟道或微流沟道两端的离子浓度梯度。

其中，开设有纳米孔的基质为高分子膜或氧化铝膜；所述高分子膜或氧化铝膜的厚度为100纳米到100微米，所述高分子膜上纳米孔的密度为1到10¹²个/cm²，所述纳米孔的几何尺寸为1纳米到10微米。构成高分子膜的材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚酰亚胺膜和聚碳酸酯膜中的至少一种。该纳米孔的形状为柱形、锥形或双锥形。

开设有纳流沟道或微流沟道的基质为硅基膜；所述纳流沟道或微流沟道横截面的尺度为5纳米到100微米，长度为1微米到1厘米。构成硅基膜的材料选自硅、二氧化硅和氮化硅中的至少一种。该纳流沟道或微流沟道的横截面为任意形状，如长方形。

所述纳米孔或纳流沟道的带电方式，可为高分子膜或硅基膜自身所带的电荷，也可为高分子膜或硅基膜通过化学修饰之后在表面形成的电荷，所带电荷为正电荷或负电荷。

所述内壁带电的纳米孔、纳流沟道或微流沟道的离子选择方式，可为阳离子或阴离子选择透过性，根据阳离子或阴离子的种类的不同，迁移率也不同。

所述纳米孔、纳流沟道或微流沟道两端的离子浓度梯度，是由于电解质盐溶液浓度不同造成的浓度差或由于pH值不同造成的氢离子和氢氧根离子的浓度差。该离子浓度梯度为1∶1-1∶10⁸，优选1∶1-1∶10⁴，所述电解质为可溶性盐、可溶性酸或可溶性碱，不限于水溶性的电解质，只需保证盐、酸或碱具有良溶剂与其相匹配即可。

另外，上述方法在制备基于纳流通道或微流沟道的能源转换器件(如电池)中的应用，尤其是浓度(如离子浓度)梯度驱动的纳流电池或微流电池中的应用，也属于本发明的保护范围。该电池可只由一个电池单元构成，其中，该电池单元由电极、存在离子浓度梯度的电解质、电池壁和内壁带电的纳米孔、微流沟道或纳流沟道组成，所述构成电池壁的材料为任何绝缘体材料，如聚四氟乙烯。所述纳米孔的几何尺寸为1纳米-10微米；所述纳流沟道或微流沟道的横截面的尺度为5纳米-100微米，长度为1微米-1厘米。该电池单元的结构如图3所示。