[发明专利]一种基于梯度二氧化硅颗粒的水伏器件制备方法

说明书

本发明提供一种基于梯度二氧化硅颗粒的水伏器件制备方法。首先，将不同尺寸的二氧化硅颗粒粉末分别分散在溶剂中，得到二氧化硅浆料；然后，在基底上自下而上分别涂覆不同尺寸二氧化硅颗粒浆料，底部为小尺寸纳米颗粒，自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，干燥后得到一种基于梯度二氧化硅涂层的水伏器件。本发明所述方法制备的水伏器件能够依靠二氧化硅涂层的毛细作用和水蒸发自发产生电能，不需要额外的能量输入，发电方式高度自发，受环境限制少，具备高的能量输出，并且能够长时间维持，适用于多种应用场景。

技术领域

本发明涉及水蒸发产电器件制备领域，尤其是一种基于梯度二氧化硅颗粒的水伏器件制备方法。

背景技术

水伏发电装置可望发展成非常简洁的清洁能量供应和智能系统。可结合风能、太阳能、废热等显著提高蒸发发电量，在理论上具有比光伏技术更大的发展空间。水覆盖了约71％的地球表面，在人体中其重量约占70％。水与能量密切相关，维持着地球系统的能量循环，生物体的温度平衡，是天然的吸能器、储能器、换能器和传能器。太阳辐射到达地表能量的近70％被水吸收，水在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦，比全人类年平均能量消耗功率高出3个数量级。水以热能、动能的形式存储所吸收的热量，更以蒸发、凝结、形云布雨、兴风作浪的形式，把存储的太阳能转化成机械能等多种形式的能量。传统的水能利用模式受自然条件的限制大，容易被地形、气候等外部因素所影响，大型设施设备的建造和使用容易导致生态破坏和成本提升。

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。这类直接转化水能为电能的现象称为“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。郭万林、曲良体、张助华、唐群委、周建新、周军等人在水伏科学与技术领域做出了开创性的研究。水伏效应的研究刚刚起步，其潜在应用可带来巨大社会经济意义，需要开发应用环境多样化、能量转化高效、发电成本低廉的新型水伏材料与器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于梯度二氧化硅颗粒的水伏器件制备方法。在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子。植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管，它能把土壤里的水分吸上来。砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是常见的毛细现象。在这些物体中有许多细小的孔道，起着毛细管的作用。二氧化硅颗粒，俗称白炭黑，具有许多独特的性质。pH＞2.5时，二氧化硅表面首先水合，然后再电离，生成的阴离子仍在纳米颗粒表面，二氧化硅颗粒表面带负电。当有水从孔隙通道中流过时，孔道表面将会带有丰富的负电荷，因此在表面将会形成双电层，在流动液体的带动下，阳离子将会在水流方向富集，进而产生流动电压和流动电流。选用不同尺寸的二氧化硅纳米颗粒，自下而上分别涂覆于水伏器件不同区域，构造梯度差异，由于比表面积的差异，形成离子浓度差，可提供离子扩散的另外一种动力，进一步提升输出电压。这种梯度构造方法也可使器件脱离水环境，在较高环境湿度条件下吸水产生电压和电流信号。

本发明采用如下技术方案：

一种基于梯度二氧化硅颗粒的水伏器件制备方法，包括如下步骤：

(1)将不同尺寸的二氧化硅颗粒粉末分别分散在溶剂中，得到二氧化硅浆料；

(2)在基底上设有上电极和下电极的一面，自下而上分别涂覆不同尺寸二氧化硅颗粒浆料，底部为小尺寸纳米颗粒，自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，再依次涂覆下一区域，干燥后得到一种基于梯度二氧化硅涂层的水伏器件。

步骤(1)中的二氧化硅颗粒尺寸为10-1000nm。

步骤(1)中的溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，二氧化硅和溶剂的质量比为3∶7-7∶3。