[发明专利]采集液体机械能的摩擦电纳米发电机以及发电方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种摩擦电纳米发电机，具体地，涉及一种将液体的波动或者流动能转变为电能的摩擦电纳米发电机以及发电方法。

背景技术

环境中的液体波动或者流动能量普遍存在，目前利用液体波动或者流动能发电的主要途径是在液体中设置柔性压电材料，特别是低维碳纳米结构如碳纳米管和多层石墨烯，带状的压电材料在极性液体流动作用下波动产生电势。在现有的设计中，由于机械疲劳，这种鳗鱼式的往复运动对于器件长时间工作带来了困难，特别是电极的寿命，通过限定材料的性能和水中的离子浓度可以改善。但是，这些器件仅利用了可以与压电材料接触的水波动的能量，不能够利用水中可能存在的其他能量例如流动、波动等。

发明内容

要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是设计一种新型摩擦电纳米发电机，应用在波动液体或者流动液体中，可以采集液体波动或者流动的机械能转变为电能，而发电机的结构不会受到液体波动或者流动的破坏。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种能够采集波动或者流动液体机械能转变为电能的摩擦电纳米发电机。该发电机的发电部件包括两个分隔设置的电极层，和覆盖发电部件的摩擦层，液体波动或者流动时与摩擦层互相摩擦使摩擦层表面带有摩擦电荷，随着液体波动或者流动，两个电极层所对应的摩擦层表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，造成摩擦层表面带有的电荷对所述第一电极层和第二电极层中电子的静电作用不同，使两个电极层之间有感应电荷流动。这种结构的发电机工作时不需要器件结构的变化，使器件能够长时间稳定工作。两个电极层被摩擦层覆盖，使发电部件不会与使用环境中的液体接触，发电机可以广泛应用在多种液体环境中。

基于上述思路，本发明首先提供一种采集液体机械能的摩擦电纳米发电机，包括：

绝缘衬底；

发电部件，由一个第一电极层和一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置在所述衬底上并且互相电连接；

摩擦层，覆盖所述发电部件，使所述发电部件的第一电极层与第二电极层与所述液体隔离；

所述液体波动或流动时与所述摩擦层发生摩擦，使与液体接触的摩擦层表面带有电荷；随着所述液体的波动或流动，两个电极层所对应的摩擦层表面的电荷被液体中的离子先后屏蔽，使摩擦层表面带有的电荷对所述第一电极层和第二电极层中电子的静电作用不同，使所述第一电极层与第二电极层之间有感应电荷流动。

优选的，所述摩擦层与所述液体接触的表面设置有微结构层，所述微结构层为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及上述结构形成的阵列。

优选的，所述液体为极性液体时，所述摩擦层表面的微结构层为疏水结构；或者，所述液体为非极性液体时，所述摩擦层表面的微结构层为亲水结构。

优选的，所述第一电极层和第二电极层均为长条状，并且在所述衬底上沿着长度方向平行排列。

优选的，所述第一电极层和/或第二电极层的长宽比为1:1至1000:1。

优选的，所述第一电极层和第二电极层之间的间隔宽度为10nm-5cm。

优选的，所述摩擦层为薄膜，厚度为10nm-2cm；所述微结构层的厚度为2nm-200μm。

优选的，所述摩擦层能够与液体接触的表面经过化学改性，其中，

比较所述摩擦层和液体的材料极性，若摩擦层的极性为较正，在摩擦层材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团）；若摩擦层的极性为负，在摩擦层的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子团）；

或者，

比较所述摩擦层和液体的材料极性，若摩擦层的极性为正，在摩擦层材料表面引入正电荷；若摩擦层的极性为负，在变化层的材料表面引入负电荷。