一种基于轴向阶跃式表面电势梯度的微纳通道离子热电调控方法

本发明涉及一种调控方法，具体涉及一种通过调节表面电势幅值、排列方式及轴向分区比，实现对双电层、离子浓度、电场及离子输运过程的空间调节，为柔性可穿戴电子器件中的低品位热能采集和自供能应用提供新的技术方案的基于轴向阶跃式表面电势梯度的微纳通道离子热电调控方法。

背景技术：

1、随着柔性电子、可穿戴传感器及人体健康监测设备的快速发展，低功耗、轻量化和持续供能逐渐成为柔性电子器件的重要需求。传统电池存在体积、质量、使用寿命及周期性充电等方面的限制，因此，利用人体周围持续存在的低品位能量实现自供能，成为柔性可穿戴电子领域的重要发展方向。人体皮肤与外部环境之间通常存在一定温度差，该温差具有持续存在、分布广泛且无需额外能源输入等特点，为低品位热能采集提供了有利条件。

2、离子热电转换技术利用电解质中的离子在温度梯度作用下发生差异化迁移和重新分布，从而产生电势差和电流输出。相较于传统固态热电体系，离子热电体系具有界面性质易调节、适用于较低温差环境以及易与柔性材料体系结合等特点，在人体热能采集、柔性传感器及低功耗自供能器件中具有应用潜力。

3、在微纳尺度离子输运体系中，离子迁移过程不仅受到温度梯度影响，还受到微纳通道几何结构、孔壁表面电势、固-液界面双电层以及局部电场和离子浓度分布等因素的共同作用。当微纳通道具有几何非对称特征时，不同轴向位置的局部孔径、界面限域程度及离子输运阻力存在差异，使扩散、电迁移和热扩散过程呈现明显的空间非均匀性。因此，通过调控微纳通道几何结构及孔壁界面性质，可进一步改变离子热电输运行为。

4、现有离子热电调控方式主要集中于电解质种类、离子浓度、材料组成、表面官能团以及均匀孔壁表面电势等因素。然而，对于具有几何非对称结构的微纳通道，不同轴向位置的离子输运状态并不相同，仅采用均匀表面电势难以针对不同区域进行差异化调控，也难以充分发挥几何非对称性与界面电势空间分布之间的协同作用。

5、若沿微纳通道轴向设置具有不同表面电势的功能区域，可在相邻区域之间形成阶跃式表面电势差，从而改变局部双电层、轴向电场及离子浓度分布，并进一步影响扩散、电迁移和热扩散之间的竞争关系。通过构建二分区、三分区或多分区轴向阶跃式表面电势结构，并调节不同区域的表面电势幅值、排列方式及轴向作用范围，可进一步拓展微纳通道离子热电输运的界面调控自由度。

6、然而，目前对于几何非对称微纳通道与轴向阶跃式表面电势协同作用下的离子热电调控规律仍缺乏系统设计，尤其缺少针对二分区、三分区结构、高低表面电势排列方式以及轴向表面电势分界位置和分区比的统一调控方法。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种通过调节表面电势幅值、排列方式及轴向分区比，实现对双电层、离子浓度、电场及离子输运过程的空间调节，为柔性可穿戴电子器件中的低品位热能采集和自供能应用提供新的技术方案的基于轴向阶跃式表面电势梯度的微纳通道离子热电调控方法。

2、本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于轴向阶跃式表面电势梯度的微纳通道离子热电调控方法，所述方法基于具有几何非对称结构和轴向非均匀表面电势分布的微纳通道构建离子热电调控体系，所述微纳通道两端分别具有不同的几何尺寸，微纳通道的孔道内壁沿轴向划分为至少两个具有不同表面电势的功能区域，以形成轴向阶跃式表面电势梯度。

3、所述基于轴向阶跃式表面电势梯度的微纳通道离子热电调控方法包括以下步骤：

4、步骤一、构建微纳通道离子热电模型：

5、基于数值模拟方法，建立不同宽径比、孔径比及正、反向布置方式的微纳通道结构模型，调控孔道几何非对称程度，形成具有不同离子热电输运特性的结构体系；

6、步骤二、构建轴向阶跃式表面电势梯度：

7、将微纳通道的孔道内壁沿轴向划分为至少两个具有不同表面电势的功能区域，并赋予不同孔壁表面电势，通过调节各区域的表面电势大小、排列顺序及轴向作用范围，构建二分化或三分化轴向阶跃式表面电势结构；

8、步骤三、构建温度梯度-离子输运耦合体系：

9、在微纳通道两端施加温度梯度，构建扩散、电迁移及热扩散耦合的离子输运模型，计算不同轴向阶跃式表面电势条件下的开路电压、短路电流及热电流，并获得内阻、热电势及热致功率，实现对微纳通道离子热电输出性能的调控；

10、离子热电发电现象为：在温度梯度、几何非对称结构及轴向阶跃式表面电势共同作用下，改变孔道内双电层、离子浓度及电场分布，调节离子的扩散、电迁移及热扩散过程，实现热电势和热电流输出，将所得电能用于柔性穿戴式低功耗器件供能。

11、在本发明的具体实施例子中，步骤一中，所述微纳通道沿轴向截面尺寸连续变化，孔道两端分别形成大孔端和小孔端，通过改变大孔端与小孔端的相对布置方向，构建正向和反向微纳通道结构模型，几何非对称结构的微纳通道选为锥形。

12、在本发明的具体实施例子中，步骤一中，微纳通道大孔端半宽ht取值范围为80～120纳米；小孔端半宽设计范围为20～90纳米，孔道轴向长度设计范围为1000～3000纳米。

13、在本发明的具体实施例子中，步骤一中，微纳通道大孔端半宽ht取值100纳米。小孔端半宽为30纳米，孔道轴向长度为1800纳米。

14、在本发明的具体实施例子中，步骤一中，所述微纳通道的正、反向结构按照大孔端和小孔端相对于离子输运方向的位置关系进行定义，其中选大孔端向小孔端的输运过程定义为正向，小孔端向大孔端的输运过程定义为反向；同时在正向和反向模型中，温度梯度方向保持一致。

15、在本发明的具体实施例子中，步骤二中，二分化轴向阶跃式表面电势结构将微纳通道内壁沿轴向划分为两个表面电势功能区域，其中一个区域孔壁表面电势为0.075v，另一区域孔壁表面电势设计范围为0.015～0.075v，并形成大孔段高电势、小孔段低电势或大孔段低电势、小孔段高电势的轴向非均匀表面电势结构。

16、在本发明的具体实施例子中，步骤二中，三分化轴向阶跃式表面电势结构将微纳通道内壁沿轴向依次划分为第一、第二和第三表面电势区域，通过高、中、低表面电势的不同排列方式构建多级轴向阶跃式表面电势结构，且各区域分别具有表面电势为高端电势ψ1、中间段电势ψ2和高端电势ψ3。

17、在本发明的具体实施例子中，步骤二中，高端电势选为0.075v,低端电势选为0.015v，中间段电势选的范围为0.015～0.075v。

18、在本发明的具体实施例子中，步骤二中，对于二分化轴向阶跃式表面电势结构，设表面电势分界位置至小孔端和大孔端的归一化轴向距离分别为ln和lw，满足ln+lw=1，轴向表面电势分区比λp=ln/lw，通过改变所述分区比调节高、低表面电势区域沿孔道轴向的作用范围，其中ln和lw的范围均为0.1～0.9，分区比λp选为0.667。

19、在本发明的具体实施例子中，步骤三中，微纳通道两端设定温差形成温度梯度，高温端温度为t0+δt，低温端温度为t0，基准温度t0为293.15开尔文，温差δt设计范围为0.5～10开尔文。

20、本发明的积极进步效果在于：本发明提供的基于轴向阶跃式表面电势梯度的微纳通道离子热电调控方法具有如下优点：

21、1、本发明通过将微纳通道几何非对称结构与轴向非均匀表面电势分布相结合，使孔壁表面电势由均匀分布转变为轴向分区式非均匀分布，实现对固-液界面双电层、离子浓度及轴向电场的空间调控。通过构建二分区、三分区轴向阶跃式表面电势结构，并调节不同区域的表面电势大小及排列顺序，可改变扩散、电迁移及热扩散过程，实现对开路电压、短路电流、热电流及热致功率等输出性能的调节。

22、2、本发明进一步通过改变表面电势分界位置及轴向表面电势分区比，在保持微纳通道总体几何尺寸及高、低表面电势幅值不变的条件下，调节不同表面电势区域的轴向作用范围，实现表面电势幅值、排列方式及空间位置的多层次协同调控。优选采用具有大孔端和小孔端的锥形微纳通道，并结合正、反向布置方式，可进一步调节离子浓度极化以及扩散与电迁移之间的竞争关系。

23、3、本发明所述方法还可应用于柔性离子热电体系，利用人体皮肤与外部环境之间的低品位温差进行能量采集，为柔性可穿戴传感器及低功耗自供能电子器件提供新的离子热电调控方案。