专利摘要

本发明公开了一种液滴流动发电装置及其制备方法；其装置包括载片、电极、流动发电层、疏水层和表面电位改性层；其制备方法具体为：通过沉积或印刷方式在绝缘载片上形成两条互不交互的电极，然后通过沉积或印刷方式在两电极之间形成一层由固体微纳米粉末构成的流动发电层，经过活化处理后再对指定的流动发电层区域进行表面处理，形成疏水层和/或表面电位改性层；将液滴滴在该装置的流动发电层，液滴在流动发电层内定向流动即在流动径向上的两电极间产生电势差及电流。本发明提供的制备方法可以通过对流动发电层进行按需改性，使其具有疏水性或者令表面电势翻转的特性，从而改变该发电装置输出电压及电流的方向及大小。

说明书

技术领域

本发明属于新能源发电设备领域，更具体地，涉及一种液滴流动发电装置及其制备方法。

背景技术

随着化石燃料等传统非再生能源的不断减少，能源危机正在不断加剧，而且化石燃料燃烧所带来的环境问题也越来越突出，因此关于可再生清洁能源的开发和利用已经成为了全人类发展的焦点问题。

当一个液滴进入多孔材料中，会在毛细力作用下在多孔材料内部流动，此过程中可以在流动方向上产生电势差和电流，并且通过液体的蒸发，在液体充足的情况下可以提供源源不断的毛细力以供发电，这种发电方法仅消耗一部分低品的环境热能，但却可以产生福特量级的电压，是一种新型的产生清洁能源的方式。但该方法在实际应用中还有以下缺陷，大大限制了其应用效果：(1)当液体在多孔材料中的流动方向分布随机或不在一个大体方向上的话，其整体的发电效率会大大降低甚至在相反流动方向上完全抵消；(2)碳颗粒材料通过流动发电产生的电压和电流受到多孔材料本身表面电性的局限，输出电压较小且无法调整；(3)原有装置多个装置的串并联十分不便，而且发电区域的利用率很低，整体的发电效率较低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液滴流动发电装置及其制备方法，采用表面修饰手段对流动发电层进行疏水处理，解决液体在流动发电层孔道内流动方向的可控性问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种液滴流动发电装置的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)通过沉积或印刷方式在绝缘载片上形成两条互相平行的电极；

(2)通过沉积或印刷方式在绝缘载片上形成一层流动发电层，所述流动发电层覆盖两条电极；其中，流动发电层的材料为固体微纳米粉末；

(3)对步骤(2)获得的产物进行退火及活化处理；

(4)对步骤(3)获得的产物，采用疏水修饰液将被处理区域转变为疏水层；所述被处理区域是指位于两个电极之间的流动发电层；

其中，被处理区域可为单一区域，也可为多个区域；若为单一区域，则为两条平行电极之间的任一子区域；若为多区域处理，则为介于两条平行电极之间相互平行且不交互的多个子区域；

通过对流动发电层的部分区域进行疏水处理修饰，形成局部的疏水层；将液滴滴在流动发电层与疏水层的交界处时，由于疏水层具有的疏水特性，液滴只能向非疏水层方向渗透扩散，实现液滴在流动发电层中固体微纳颗粒构成的微通道中定向流动，解决了液滴在流动发电层内流动方向的可控性问题；从而在位于流动方向径向的两电极之间产生稳定的电势差及电流。

按照上述方法制备得到的一种液滴流动发电装置，包括绝缘载片、电极、流动发电层和疏水层；其中，两条互不相交的电极位于绝缘载片之上；流动发电层在绝缘载片上，完全的覆盖了两个电极；流动发电层的材料为固体微纳米粉末；疏水层位于流动发电层上。

为实现本发明目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种液滴流动发电装置的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)通过沉积或印刷方式在绝缘载片上形成两条互相平行的电极；

(2)通过沉积或印刷方式在绝缘载片上形成一层流动发电层，所述流动发电层覆盖两条电极；所述流动发电层的材料为固体微纳米粉末；

(3)对步骤(2)获得的产物进行退火及活化处理；

(4)对步骤(3)获得的产物，将待处理区域进行表面电位改性处理，在流动发电层上形成表面电位改性层；

其中，待处理区域是指流动发电层全区域，或两平行电极之间的一个或多个平行于电极但不交互的子区域。

优选地，上述步骤(4)具体包括如下子步骤：

(4.1)将步骤(3)所获得的产物的流动发电层的部分或全部区域浸没于浓度为0.01％～10％的水溶性高分子溶液中反应；

(4.2)将步骤(4.1)所获得的产物浸洗后，再在浓度为0.1％～10％的有机物水溶液中反应，并经过浸洗后烘干，完成表面电位改性层制备；

上述方法制备得到的一种液滴流动发电装置，包括绝缘载片、电极、流动发电层和表面电位改性层；其中，两条互不相交的电极位于绝缘载片之上；流动发电层在绝缘载片上，覆盖两个电极，流动发电层的材料为固体微纳米粉末；表面电位改性层位于流动发电层上。

上述制备方法通过部分或全部区域化学修饰的方式，改变流动发电层固体颗粒层的表面电位特性，形成表面电位改性层；液滴流经表面电位改性层所产生的电势差，与液滴同向流过流动发电层所产生的电势差方向相反；当液滴处于流动发电层与表面电位改性层之间时，液滴在两层中的扩散流动方向恰好相反，而产生的电压却恰好叠加，从而提高发电装置输出的电压。

优选地，上述制备方法中，步骤(4.1)中采用包含氨基、羟基、羧基或酰胺基官能团的水溶性高分子溶液，如聚乙烯亚胺及其衍生物、聚乙二醇及其衍生物、聚乙烯醇及其衍生物或聚酰亚胺及其衍生物；

步骤(4.2)中采用二醛、多醛、含多氨基或含多羟基的有机物水溶液；通过液相修饰方法对流动发电层进行修饰处理，在流动发电层的表面形成一层表面电位改性层。

优选地，一种液滴流动发电装置的制备方法，还包括以下步骤(5)：采用疏水修饰液，对两平行电极之间的指定区域进行处理，使被处理区域内的流动发电层或表面电位改性层转变为疏水层；

其中，指定区域具体如下：

(a)当步骤(4)中是对流动发电层全区域进行表面电位改性修饰时，则本步骤中的被处理区域为单一区域或多个子区域；

若为单一区域处理，则处理区域为两条平行电极之间的任一子区域；若为多区域处理，则处理区域为介于两条平行电极之间相互平行且不交互的n个子区域；n≥2；

(b)当步骤(4)中是对多个平行于两个电极但不交互的子区域进行表面电位改性修饰时，则本步骤中的处理区域为多个宽度小于流动发电层和表面电位改性层的子区域，且所述处理区域不跨过任何一个区域交界处。

优选的，上述步骤(5)具体如下：

(5)在两平行电极之间的指定区域，采用浓度为1％～10％的全氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液，在70℃温度下反应5～30分钟，使被处理区域内的流动发电层或表面电位改性层转变为疏水层。

按照上述方法制备得的发电装置，包括绝缘载片、电极、流动发电层、疏水层和表面电位改性层；流动发电层由固体微纳米粉末构成，位于绝缘载片上，覆盖两个电极；表面电位改性层位于流动发电层上互不交互的子区域内；疏水层位于流动发电层和/或表面电位改性层之上，当疏水层位于流动发电层和表面电位改性层上时，疏水层不跨过流动发电层与表面电位改性层的交界处；

该液滴流动发电装置，不仅可以通过疏水层与流动发电层或表面电位改性层之间的交界处来调控液体的流动方向，还可以在流动发电层与表面电位改性层的交界处实现流动电压的叠加，进一步增大发电装置的输出电压，提高发电效率。

优选地，上述制备方法中，采用的疏水修饰液为包含长链烷烃类、脂肪酸类、长链烷基硅烷类、长链烷基氯硅烷类、全氟烷基硅烷类、全氟烷基氯硅烷类或硫醇类等的修饰溶液；可通过气相或液相修饰方法对流动发电层或表面电位改性层进行化学修饰后形成疏水层。

优选的，上述液滴流动发电装置，流动发电层为由碳黑微纳米颗粒、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、金属氧化物微纳米颗粒中的一种或多种堆积成而成的多孔结构。

优选的，在10nm～100μm范围内调节构成流动发电层的固体颗粒的平均粒径，以调控流动发电层内的平均通道孔径，进而调控液滴在其中的流速，以此调控发电装置的输出电压。

优选的，上述液滴流动发电装置，电极采用碳纳米管或金属等导电性良好的材料。

优选的，上述液滴流动发电装置，发电所用液滴均采用极性溶液，为达到最佳的电压输出效果采用纯水。

优选的，上述第一种和第三种液滴流动发电装置中，疏水层完全覆盖住两电极，由此可避免电极与液滴之间可能发生的腐蚀或电化学反应。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的液滴流动发电装置的制备方法，采用表面修饰手段对流动发电层进行疏水修饰处理，形成疏水层；使得液滴在流动发电层与疏水层交界处只能往一个方向进行流动扩散，从而解决了液滴流动发电中，液滴在流动发电层孔道内流动方向的可控性问题；

(2)本发明提供的液滴流动发电装置的制备方法，通过对流动发电层的固体颗粒进行表面化学修饰处理，形成表面电位改性层；使得制备获得的装置，具有对输出电压大小及正负的调控的能力；

(3)本发明提供的液滴流动发电装置的制备方法，其优选方案通过对流动发电层区域进行，多区域修饰及以上两种修饰方法的结合，使得制备获得的装置，即具有疏水层，又具有表面电位改性层；在流动发电层上实现多种界面的组合，实现在同一装置内多个流动发电子区域的串并联，极大地提升了流动发电装置的发电区域利用率和整体发电效率，可通过一滴液滴产生电压伏特量级的电能输出；

(4)本发明提供的液滴流动发电装置的制备方法，流动发电层经过退火和活化处理后，表面反应活性增强，对其进行的疏水修饰以及表面电位改性处理都可以在分子层面进行，修饰材料可与固体颗粒表面形成化学键而不易被洗脱，可长时间保持住修饰效果；使制备得的装置具有更稳定的性能。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的液滴流动发电装置的平面图与剖面图，图1(a)为平面图，图1(b)为剖面图；

图2为本发明实施例2提供的液滴流动发电装置的平面图与剖面图，图2(a)为平面图，图2(b)为剖面图；

图3为本发明实施例3提供的液滴流动发电装置的平面图与剖面图，图3(a)为平面图，图3(b)为剖面图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-载片、2-电极、3-流动发电层、4-疏水层、5-表面电位改性层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

实施例1提供的一种液滴流动发电装置，其平面图与剖面图如图1所示意的，包括绝缘载片1、电极2、流动发电层3和疏水修饰层4；其中，图1(a)为平面图，图1(b)为剖面图；其制备方法具体如下：

(1)采用印刷的方式在绝缘载片1上印制两条互相平行的碳纳米管电极2；

(2)将含有碳纳米颗粒材料的浆料均匀印刷在载片上并形成跨过两条电极的连续浆料层；浆料由质量比为1:1:10的碳纳米颗粒材料、粘合剂及溶剂采用研磨或搅拌的方式均匀混合而成；

(3)在300～400℃下对印刷好的浆料层进行退火处理；退火完成后形成由碳纳米颗粒组成的多孔流动发电层3，多孔流动发电层3与两个电极2形成通路；

(4)在图1中标识4所对应的三块区域内滴加浓度为1％～10％的全氟癸基三乙氧基硅烷乙醇溶液，在70℃下反应5～30分钟，使被处理区域内的流动发电层3转变为疏水层4；由此完成液滴流动发电的发电装置的制备。

实施例1制备得的发电装置应用于液滴流动发电时，将液滴滴在疏水层4与流动发电层3的边界处时，液滴无法浸润疏水层区域，只能向流动发电层单方向扩散流动，在与流动方向平行的方向上即两个电极之间产生电势差；此外，在液滴流动扩散的同时，由于蒸发作用，使液滴形成的湿润区域在扩散到距离起始位置2cm～5cm后达到平衡，只要保持水滴源头处有液滴存在，流动发电层3内的液滴就能源源不断的流动，在两个电极2间产生持续的电势差和电流。

在图一所示的各个位置中，边界位置A与C处的液滴会分别产生由下电极至上电极的0.5～1V左右的电压，由于两处液滴流向相同，因此在两条平行电极2间产生的电压可叠加至1～2V，位置B与D则可产生大小相同方向相反的电压。

实施例2

实施例2提供的一种液滴流动发电装置的平面图与剖面图如图2所示，图2(a)为平面图，图2(b)为剖面图；包括载片1、电极2、流动发电层3和表面改性层5。

其制备方法具体如下：

(1)采用蒸镀的方法在绝缘载片1上沉积两条互相平行的金属铝电极2；

(2)将含有碳纳米颗粒材料的浆料刷在绝缘载片1上并形成跨过两条电极2的连续浆料层；其中，浆料由质量比为1.5:1:10碳纳米颗粒材料、粘合剂及溶剂采用研磨或搅拌的方式均匀混合而成；

(3)在350℃～450℃下对印刷完成的浆料层进行退火处理；退火后形成由碳纳米颗粒组成的多孔流动发电层3，多孔流动发电层3与两个电极2形成通路；

(4)在等离子清洗机中，在100～200W功率下对步骤(3)所获得的产物进行30～100s的空气等离子体轰击活化；

(5)在70℃下，采用液相法对流动发电层3的一半区域浸没于浓度为0.01％～10％的聚乙烯亚胺水溶液中，在70℃下反应1h，采用蒸馏水多次浸洗后再放入70℃的浓度为0.1％～10％的戊二醛水溶液中反应1h；经过蒸馏水浸洗后烘干，在处理区域形成表面电位与原本碳纳米颗粒组成的流动发电层相反的表面电位改性层5；本步骤中，具体的表面改性层处理区域如图2中标识5所示；表面电位改性层与流动发电层与电极和绝缘载片共同构成液滴流动发电的发电装置；

实施例2制备得的发电装置应用于液滴流动发电时,将液体滴加在流动发电层3与表面电位改性层5的交界处，液滴同时向两端电极2方向进行浸润扩散流动；由于表面电位改性层5经过改性后的表面电位与流动发电层3恰好相反；液滴相反的流向使得在两个电极2间产生的电压恰好同向叠加；此外，在液滴流动扩散同时，由于蒸发作用，使液滴形成的湿润区域在扩散到距离起始位置2cm～5cm后达到平衡，只要保持水滴源头处有液体存在，流动发电层3与表面电位改性层5内的液滴就能源源不断的流动，在两个电极2间产生持续的高达3～5V的电压。

实施例3

实施例3提供的一种液滴流动发电装置的平面图与剖面图如图3所示，图3(a)为平面图，图3(b)为剖面图；包括载片1、电极2、流动发电层3、疏水层4和表面电位改性层5。

其制备方法具体如下：

(1)在绝缘载片1上印刷两条互相平行的碳纳米管电极2；

(2)将含有碳纳米颗粒材料的浆料刷在绝缘载片上，形成跨过两条电极的连续层；其中，浆料由质量比为1.5:1:10碳纳米颗粒材料、粘合剂及溶剂采用研磨或搅拌的方式均匀混合而成；

(3)在350℃～450℃下对印刷完成的浆料层进行退火处理，退火完成后形成由碳纳米颗粒组成的多孔流动发电层3，多孔流动发电层3与两个电极2形成通路；

(4)在等离子清洗机中，在100～200W功率下对装置进行30～100s的空气等离子体轰击活化；

(5)在70℃下对流动发电层的其中一半采用液相法，在浓度为0.01％～10％的聚乙烯亚胺水溶液中，在70℃下反应1h，采用蒸馏水多次浸洗后再放入70℃的浓度为0.1％～10％的戊二醛水溶液中反应1h，经过蒸馏水浸洗后烘干；形成表面电位与原本碳纳米颗粒组成的流动发电层3相反的表面电位改性层5；

(6)在110～150℃下，对在图3中标识4所示的区域，采用气相法进行疏水修饰处理；修饰液采用正十二烷基三氯硅烷溶液；经过修饰形成疏水层，疏水层不受液滴液的浸润，液滴无法从该区域的多孔结构中通过，疏水层4与表面改性层5以及流动发电层3之间形成多个界面。

实施例3制备得的液滴流动发电的发电装置，应用于液滴流动发电时,(1)若将液滴滴在疏水层4与流动发电层3的边界处，液滴将无法浸润疏水层4，只能向流动发电层3单方向扩散流动；因此在与流动方向平行的方向上即两个电极2之间产生电势差；同理在疏水层4与表面改性层5的边界处也有相同的现象但产生的电压方向恰好与之相反；

(2)将液滴滴加在流动发电层3与表面电位改性层5的交界处，液滴同时向两端电极2方向进行浸润扩散流动，由于表面电位改性层5经过改性后的表面电位与流动发电层3恰好相反,液滴相反的流向使得在两个电极2间产生的电压恰好同向叠加；

在实施例3提供的发电装置的不同界面处滴加多个液滴,使得两个电极2间产生大的电压和电流；在图3中A、C、E、G四处同时滴加液滴后，在两个电极2间产生从上电极至下电极的正向电压，电压可高达5～10V；

将液滴同时滴加在B、D、F处，也可产生大小相近方向相反的电压；此外，在液体流动扩散同时，由于蒸发作用，液滴形成的湿润区域在扩散到距离起始位置2cm～5cm处后达到平衡，只要保持水滴源头处有液体存在，各层内的液滴就能源源不断的流动，在两个电极2间产生持续的电压和电流。

以上实施例提供的液滴流动发电装置可在常温常压下运行，性能受到所选流动发电层材料、液体性质、表面电位改性处理所选材料以及测试时的环境温度和湿度等影响液体蒸发流动速度的条件影响。

对上述3个实施例制备得的发电装置性能进行简单测试，具体如下：

施例1制备得的发电装置，流动发电层尺寸为1cm*5cm，电极尺寸为1cm*0.3cm，以炭黑颗粒膜为流动发电层，以水作为液滴流动质；在室温24℃和常压下，将两滴体积为1微升的液滴分别滴加在图1A和C所示位置处，可在两电极间产生1～1.6V的电势差；

实施例2制备得的发电装置，流动发电层尺寸为1cm*5cm，电极尺寸为1cm*0.3cm，以炭黑颗粒膜为流动发电层；以水作为液滴流动质，在室温24℃和常压下，将一滴体积为1微升的液滴滴加在流动发电层3与表面电位改性层5的界面处，可在两电极间产生2～4V的电势差；

实施例3制备得的发电装置，流动发电层尺寸为1cm*5cm，电极尺寸为1cm*0.3cm，以炭黑颗粒膜为流动发电层；以水作为液滴流动质，在室温24℃和常压下，将三滴体积为1微升的液滴分别滴加在B、D和F所示位置处，可在两电极间产生5～10V的电势差。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种液滴流动发电装置及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。