[发明专利]一种基于纳流体二极管的水伏器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于纳流体二极管的水伏器件，从下到上依次包括基底层、下电极和上电极，上电极与下电极之间设有敏感层；敏感层为两层具有相反ZETA电位的薄膜构成的PN结，或者为两层相反ZETA电位的薄膜中间再加一层ZETA电位近似为0的薄膜构成PIN结；敏感层各层均是连通的孔结构，其中至少有一层含有0.1‑100nm尺寸的纳米级连通孔。本发明通过将纳流体二极管引入水伏器件，使水伏器件的性能有很大提升，该器件无需额外能耗，绿色环保，且器件结构简单，制备方法中的制备工艺容易操作，所需材料容易获取并且价格低廉，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于新型能源收集技术领域，尤其涉及一种基于纳流体二极管的水伏器件及其制备方法。

背景技术

传统的能源收集技术主要集中在特定的设施上，这些设施利用化石燃料、风流和水流将能量转化为电能。然而，极高的成本、复杂的工程设施和有限的地理要求严重阻碍了它在全球范围内的部署，特别是在一些经常遭受资金短缺和基础设施落后困扰的不发达国家或偏远地区。在这方面，一些离网、分散的技术已经被开发出来，作为集中式电网的补充。例如太阳能电池、压电纳米发电机、摩擦电纳米发电机和热电纳米发电机，将太阳能、机械能、热能转化为电能。但是，上述发电方式受特定气候条件的约束，限制了其进一步应用。水覆盖了地球表面的71％，包括海洋、河流、冰川等等，大气中也充满了看不见的水汽或水团。不同形式的水之间的转化，例如冰、液体和蒸汽之间的可逆转变，构成了全球水循环，并提供了巨大的能量交换。上述动态水循环中的基本能量约为每年6×10¹⁶瓦，比人类活动平均消耗的电能高出几个数量级。此外，水在动物、植物及其常见活动中也无处不在。然而，将自然界中水分扩散过程直接用于产生电能并不多见。纳米材料具有显著的量子效应和表面效应，可与各种形式的水发生耦合而输出显著的电信号，如石墨烯可通过双电层的边界运动将拖动和下落水滴的能量直接转化为电能，也可将海水波动能转化为电能。碳黑等纳米结构材料可通过大气环境下无所不在的水的自然蒸发，持续产生伏级的电能。这类利用水与功能材料相互作用直接生电的现象称为“水伏效应”。水伏效应为全链条式捕获地球水循环的水能开辟了全新的方向，提升了水能利用能力。

现有水伏器件发电工作主要依靠自身材料或结构，经水分子作用后产生离子浓度梯度，进而促进离子定向移动产生电能。这里提供水分子的方式有空气湿度、水滴或被水包覆等。然而，现有器件的设计仍然存在输出功率密度低、长期稳定性差和工作模式单一等问题。迫切需要探索具有新的持续能量转换机制的膜材料和器件设计，来实现高输出功率密度和提高输出的长期稳定性以及为器件扩展工作模式。而且水伏效应的研究时间不长且其意义重大，急需进一步的深入研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、价格低廉的基于纳流体二极管的水伏器件，将纳流体二极管引入水伏器件，使水伏器件的性能有很大提升；并提供该水伏器件的制备方法，该方法操作简单，所需材料容易获取并且成本低，适合大规模生产。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于纳流体二极管的水伏器件，从下到上依次包括基底层、下电极和上电极，上电极与下电极之间设有敏感层；

敏感层为两层具有相反ZETA电位的薄膜构成的PN结，或者为两层相反ZETA电位的薄膜中间再加一层ZETA电位近似为0的薄膜构成PIN结；

敏感层各层均是连通的孔结构，其中至少有一层含有0.1-100nm尺寸的纳米级连通孔。

进一步地，所述上电极若自身具备或者通过化学修饰后具备表面电荷，即ZETA电位不为零，则直接将上电极作为敏感层中的P层或者N层；下电极若自身具备或者通过化学修饰后具备表面电荷，即ZETA电位不为零，则直接将下电极作为敏感层中的N层或者P层；

敏感层包括：上电极与另一层具有相反ZETA电位的薄膜构成PN结、或者下电极与另一层具有相反ZETA电位的薄膜构成PN结、或者具有相反ZETA电位的上电极和下电极直接构成PN结。