[发明专利]一种水伏发电材料、发电器件及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种水伏发电材料、发电器件及其制备方法和应用，属于纳米复合材料的水发电技术领域。本发明提供一种水伏发电材料，所述水伏发电材料是在带负电的多孔超薄膜表面覆上金属层制得，其中，所述多孔超薄膜的厚度≤200nm。本发明提供一种新的水伏发电材料，所得水伏发电材料进一步制得的发电器件用于水发电时，离子溶液可实现不在金属导体的表面运动，而是穿过负电且超薄多孔的基底膜与导体相互作用从而实现水发电。本发明所得水伏发电器件可以大幅提升发电的电流，降低水伏发电器件的电阻，提高动电转换；发电电流可提升至10～15μA，器件电阻降低至30～400Ω。

技术领域

本发明涉及一种水伏发电材料、发电器件及其制备方法和应用，属于纳米复合材料的水发电技术领域。

背景技术

近年来，由于自然资源日益枯竭，各个国家开始重视太阳能、风能或者水能等可再生能源的利用。水是地球上最丰富的资源之一，大约百分之七十的地球表面都被水覆盖。目前随着纳米科学的高速发展，已有大量关于利用纳米材料将水的动能转化为电能的研究。这些纳米材料具有非常大的比表面积，其原子或基团大量暴露在空气中，所以对外界环境高度敏感，与水相互作用时有望产生丰富的电能。

水伏效应是一种通过纳米材料和各种形式的水(雨滴，波浪，流动，水分的自然蒸发)之间的直接相互作用来发电的新兴技术。水伏发电是近些年提出的能量收集概念，指利用环境中各种形式的水中的潜在能量来获取电力，原理为基于水与材料界面处，双电层边界运动诱导的离子流使导体中载流子定向运动，从而将水中化学能转化为电能，是打破传统能源发电模式的一种新手段。

目前有大量研究利用液滴在纳米材料表面运动而产生电能。液滴、纳米功能材料和基底的电荷相互作用在发电中起着至关重要的作用，通常液滴中的离子被基底的负电吸引，所以在界面处的双电层中出现较多的净吸附阳离子，进而诱导功能材料中载流子定向运动。目前该领域的发展壁垒在于，首先，功能材料的选择受限，目前仅限于石墨烯这种超薄导电纳米材料，因为其它功能材料无法做到石墨烯这样的原子级厚度，所以会屏蔽基底的负电荷，进而无法完成液滴-基底-功能材料的电荷相互作用，故不能用于该领域。其次，产生的电流低，因为以石墨烯为代表的功能材料制备的发电器件电阻较高，所以只能产生几百纳安的电流；另外，无法持续发电，因为液滴与功能材料的作用往往是瞬时的，所以发电器件只能产生峰值信号；最后，单层石墨烯价格昂贵，转移过程复杂，器件容易在外力作用下受损。

发明内容

基于上述水发电器件中功能材料选择难度大，发电电流低，无法持续发电，器件耐久性差等技术缺陷；本发明提出一种新的水伏材料，其是以表面带负电的超薄(厚度≤200nm)多孔膜为基底，在其表面覆上金属导体制得，所得水伏发电材料进一步制得的发电器件用于水发电时，离子溶液可实现不在导体(功能材料)的表面运动，而是穿过负电且多孔超薄的基底膜与导体相互作用从而实现水发电；可见，本发明不同于传统的动电效应中离子溶液在导体表面运动，提供了一种新的不同于传统的基于动电效应的水发电机制。利用本发明所得的水伏发电材料制得的水伏发电器件可以大幅提升发电的电流，降低器件电阻，提高动电转换；发电电流可提升至10～15μA，器件电阻降低至30～400Ω。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种水伏发电材料，所述水伏发电材料是在带负电的多孔超薄膜表面覆上金属层制得，其中，所述多多孔超薄膜的厚度≤200nm。

进一步，所述带负电的多孔超薄膜为超高分子量聚乙烯多孔薄膜。

进一步，所述金属层中的金属选自铂、银、金、铜或铝等。

优选的，所述多孔超薄膜的厚度为50～200nm；更优选为90～120nm。

本发明要解决的第二个技术问题是提供上述水伏发电材料的制备方法，所述制备方法为：在带负电的多孔超薄膜表面均匀覆上金属层即可。