一、案例項目簡介

1. 項目背景

隨著全球能源需求日益增長同時對環(huán)境保護的重視，傳統(tǒng)化學能發(fā)電已逐漸不適應當代社會的復雜要求。同時能源的需求和應用領域也越發(fā)多樣化，基于這些現實需求，云南某大學的張博士為解決這些問題，他以新材料為切入點，重點關注新材料的發(fā)電研究：基于納米材料的水伏發(fā)電及其發(fā)電性能。希望以此為突破點，推動新能源發(fā)展以及促進能源多樣化供應。

2. 項目痛難點

(1) 研究納米材料種類多樣

(2) 多種納米材料需要在同一測試條件下進行發(fā)電性能比對

(3) 確定納米材料發(fā)電功率及最佳發(fā)電條件

二、納米材料發(fā)電及納米材料水伏發(fā)電

1. 納米材料發(fā)電種類

      納米技術經歷了幾十年的發(fā)展，現在已經走入人們的日常生活中，各種納米材料目前在世界范圍 內得到了廣泛的應用。 納米器件擁有尺寸小、功耗低、反應靈敏等特點，但納米器件的運行必須 有電池和集成電路的支持，目前無法達到絕對意義上的最小化。為解決這一問題，院士王中林教 授2006年提出納米發(fā)電機的理念，使納米發(fā)電機的研究成為微型能源研究領域的熱點， 進而開辟了納米材料發(fā)電這一新興的學科領域。納米材料發(fā)電目前有幾種技術路線：

      (1) 納米壓電發(fā)電

納米壓電電子學原理是利用原子力顯微鏡探針，壓迫氧化鋅納 米線產生彎曲，使鋅離子和氧離子產生了電勢能并形成電流。 在此基礎上，選用兼具壓電效應和半導體效應的氧化鋅，利用 納米線、納米薄膜等材料的結構特性，成功發(fā)明了納米發(fā)電 機，實現了將周圍環(huán)境中的機械能轉化成電能的目標。另外， 利用超聲波等其他方式，也可為納米壓電材料提供機械能。

(2) 納米熱釋電發(fā)電

利熱釋電(Pyroelectric)納米發(fā)電機是一種能量收集裝置，它能 夠利用納米結構的熱釋電材料把外界的熱能轉換成電能。通 常，熱能的收集主要依靠器件兩端的溫差驅動載流子擴散的塞 貝克效應。

(3) 納米靜電摩擦發(fā)電

利用日常生活中摩擦起電這種靜電現象，可產生足夠的能量。而采用納米技術來制造特定材質的兩種摩擦表面，還可以使摩擦有效面積擴大，從而提供更強的摩擦并轉換出比壓電效應更

(4) 納米水伏發(fā)電

通過納米結構與水的流動、波動、滴落和蒸發(fā)直接相互作用來發(fā)電的能量轉換效應，被稱為水伏效

（hydrovoltaic effect），也稱納米水伏發(fā)電，這種效應為解決柔性傳感系統(tǒng)的能源可持續(xù)供給提供了新思路。

2. 納米材料水伏發(fā)電

地球表面70％以上都被天然水體覆蓋，是含量豐富的資源之一。無論地理位置或環(huán)境條件如何改變，天然水都可以通過吸收熱能而自發(fā)地流動和蒸發(fā)。通過納米結構與水的流動、波動、滴落和蒸發(fā)直接相互作用來發(fā)電的能量轉換效應，被稱為水伏效應（hydrovoltaic effect），這種效應為解決柔性傳感系統(tǒng)的能源可持續(xù)供給提供了新思路。然而，如何在變形條件下實現穩(wěn)定發(fā)電和高輸出功率，并實現輕量化、柔性化可穿戴傳感微系統(tǒng)依然面臨很多挑戰(zhàn)。以上為水伏發(fā)電的幾個技術路徑：、

(1) 水滴注入電荷納米發(fā)電

(2) 水流機械通過納米材料

(3) 水汽蒸騰納米發(fā)電

三、微納器件的電學性能及加電壓或電流測試源表方案說明

1. 測試要求

(1) 實時測試多種納米材料在同一水條件下的發(fā)電情況

(2) 不同納米材料的發(fā)電條件不同，并需要數據記錄

(3) IV曲線掃描

2. 測試方案結構

方案一、單通道納米水伏發(fā)電測試

方案二、多通道水伏發(fā)電納米材料分選

       3. 測試原理及指標

蒸騰驅動發(fā)電機：在含有炭黑涂層的不對稱濕棉布上，由毛細流動的水驅動進行發(fā)電，可產生最 大電壓0.53 V, 最大電流3.91μA,最大能量密度1.14 mWh cm?3。由多個蒸騰驅動發(fā)電機組 裝產 生的能量，足以點亮一個20 mA×2.2 V的發(fā)光二極管，或為一個1 F容量的超級電容器充電。

上圖為不同液體對蒸騰納米驅動發(fā)電機的影響；

(A) 各種類型和極性的液體對蒸騰納米發(fā)電機的V_OC的影響

(B) 不同陽離子大小的鹽溶液在不同條件下對TEPG的V_OC的影響，

(C) 不同pH值的鹽酸溶液下，測試出V_OC的值，

(D) 濕碳與干碳電位差及電流流向示意圖，

(E) 濕/干界面擬流行為和電流產生的機理示意圖，

(F) 蒸騰納米發(fā)電機的蒸發(fā)和吸附示意圖

4. 掃描及圖示

((( A) TEPG運行示意圖

(B) 測量TEPG的VOC、ISC和電阻分布

(C) (D) (E) (F)為不同情況下，測量VOC的分布情況

5. 微納器件的電學性能及加電壓或電流測試源表選型依據

以量程及最小測量精度為標準，同時支持等效電阻測試。