液滴动力发电机

1.本发明涉及由液体，或更具体的说是冲击性液体如水滴，来驱动的发电机。本发明还涉及包括这种发电机的系统以及这样的系统和发电机的制造方法。


背景技术：

2.水动能能源表现为各种形式和各种规模的动态，是世界上最丰富、最实惠和最可持续的能源之一。虽然在收集雨滴、河流/海浪、潮汐和其他形式的水动能能源方面已经做出了广泛的努力，但实现高输出功率密度的发电仍然具有挑战性。


技术实现要素：

3.本发明旨在提供改进的发电机，它利用撞击液体的能量来发电，或至少为公众提供一种替代方案。
4.根据本发明的第一方面，提供了一种类似于晶体管并由撞击液滴提供能量的发电机，包括玻璃基片，该基片限定了朝上的表面和朝下的表面。其中，该基片包括：i)在朝上的表面上涂有聚四氟乙烯(ptfe)并作为虚拟源极的区域，以及ii)在所述朝上的表面上与所述ptfe涂层区域相邻排列并作为漏极的电极，其中所述ptfe涂层区域和所述电极被定位在所述朝上的表面上，以接收作为栅极的撞击水滴，以及其中所述发电机的电路通过穿过朝下的表面的电气连接连接所述虚拟源极和所述漏极，由此通过该电气连接收集电能。
5.优选的是，所述玻璃基片可以是ito玻璃片或ito玻璃片的一部分。
6.合适的是，聚四氟乙烯可以被配置为在所述朝上的表面上以平膜的形式存在。聚四氟乙烯薄膜的密度可以是2.1至2.2克/立方厘米。得出本发明的研究同时表明，上述密度范围可以提高发电机的性能。
7.有利的，所述电极可以是导电的铝胶带。
8.根据本发明的第二方面，提供了一种发电系统，包括多个如上所述的发电机，其中这些发电机是串联或并联的。
9.根据本发明的第三方面，提供了一种发电系统的制造方法，包括制作多个发电机，这些发电机的制作包括以下步骤：
[0010]-提供厚度为0.40至1.0毫米的玻璃片，该玻璃片定义了朝上的表面和朝下的表面。
[0011]-将玻璃基片加热到大致上为120至150℃的温度，持续15至20分钟。
[0012]-将聚四氟乙烯(ptfe)层涂在所述朝上的表面的区域，从而形成虚拟源极。
[0013]-通过提供电极来形成漏极，该电极被布置在所述朝上的表面的ptfe涂层区域附近；所述ptfe涂层区域和所述电极被定位在所述朝上的表面，以接收作为栅极的冲击水滴；以及
[0014]-通过穿过朝下的表面的电气连接来连接所述虚拟源极和漏极，从而通过所述电气连接收集电能。
[0015]
优选地，该方法可包括串联或并联多个发电机的步骤。
[0016]
适当地，玻璃基片可以是ito玻璃片或ito玻璃片的一部分。
[0017]
上述电极可以是导电的铝胶带。
附图说明
[0018]
本专利申请文件包含至少一张彩色图纸。本专利或专利申请出版物的彩色图画副本将由专利局根据要求和支付了必要的费用后提供。
[0019]
现在将参照附图解释本发明的一些实施方案，其中：
[0020]
图1a至1c展示了一种发电机，或类似于晶体管的液体撞击发电机(tide-g)的实施方案，其中：
[0021]
图1a示意性地展示了一种由源极、漏极、栅极和基片端子组成的n沟道场效应晶体管。
[0022]
图1b是tide-g的示意图，其中透明的ito、铝电极和水滴分别作为源极、漏极和栅极。聚四氟乙烯(ptfe)，一种在本发明过程中被发现能产生有希望的效果的驻极体材料，被设计在ito的顶部，作为虚拟的、丰富的源极，使ito上的静电感应电荷得到可逆的转移。在撞击的水滴与tide-g接触之前，源极和漏极之间的栅极通道是不存在的。在这种关断状态/模式下，没有电流输出(请见图1b的顶部部分)。相比之下，在导通状态下，源极和漏极被铺展的液滴连接，产生了大量的电能(请见图1b中的底部部分)。
[0023]
图1c是一幅图表，显示了随着单个液滴连续撞击，在已制造的tide-g装置的ptfe表面上的电荷逐渐积累。
[0024]
图2a至2c提供了本发明的发电特性，其中：
[0025]
图2a是光学图像，显示了在玻璃基片上制造的四个平行的tide-g装置(请见图2a的左边部分)。每个撞击在单个tide-g装置上的液滴点亮了100个市面上的led(请见图2a的右边部分)。
[0026]
图2b是一幅图表，说明在同样的条件(如单个液滴的连续撞击的大小和释放高度)，从tide-g(红色)测得的电压输出比控制teng装置上的电压输出高两个数量级以上。摩擦起电纳米发电机(teng)的发电量可以忽略不计，这是受界面效应的限制，即使它的ptfe表面像tide-g的情况一样存储了足够的电荷。撞击液滴的频率被设定为4.2hz。
[0027]
图2c是一幅图，说明了tide-g(图的右边部分)和控制装置(图的左边部分)在响应于单个液滴连续撞击时的电流输出比较。
[0028]
图3a至3d说明了升压发电的一个来源，其中：
[0029]
图3a是显示在整个液滴撞击过程中从tide-g产生的随时间变化的电流变化的图。
[0030]
图3b是显示液滴铺展动力学和电流响应的同步图，以及ptfe/ito和漏极之间流动的电荷随时间变化的图。液滴缩回，但仍与漏电极保持接触，而电流逆转为负值。图3b中的插图是选定的快照，显示了tide-g上的液滴动态。
[0031]
图3c是显示由撞击液滴在tide-g上产生的转移电荷q的随时间变化的图，显示了当tide-g过渡到关断模式时，电荷可以完全恢复到零。循环测量显示了电荷转移的卓越的可逆性。值得注意的是，在每个周期中，源极和漏极之间传输的电荷量是恒定的，这标志着没有来自ptfe或水的额外电荷供应，尽管电荷传输或发电是由柔软的、可变形的水滴来控
制的。
[0032]
图3d是一幅图表，显示了在不同的we或最大液滴铺展面积下，由撞击液滴在tide-g和控制样品上产生的最大电荷q max的明显对比，这显示了增强的发电量是由撞击液滴和tide-g的独特配置之间的精密相互作用来调节的，而不是来源于界面接触的起电。
[0033]
图4a至4d包括显示tide-g工作机制的示意图和图表，其中：
[0034]
图4a是显示tide-g增压发电的工作机制的示意图。聚四氟乙烯通过连续的液滴撞击或通过离子注入携带足够的电荷，在其内部存在一个电场(e1)。此后，在每个周期中，在液滴铺展的开始阶段(i，ii)，由于e1的存在，铺展的液滴中几乎没有正电荷被输送到ptfe/水界面，因此没有发电。相反，当聚四氟乙烯和漏极由铺展液滴(iii)连接时，漏电极上比聚四氟乙烯更高的电位导致在液滴内建立额外的电场e2，从而将离子的原始随机运动转变为定向流动，正离子和负离子分别向聚四氟乙烯表面和漏电极流动。同时，由于相对于ptfe和ito之间的静电作用，双电层(edl)效应更强，这些最初被ito束缚的正电荷可以被释放并流向漏极(iv)。当水滴开始回缩(v)，直到它与漏极分离(vi)，漏极上的电荷可以流回ito，再次回到关断模式。
[0035]
图4b是显示关断模式下水内部和ptfe表面上电荷分布的分子动力学(md)模拟图。
[0036]
图4c是显示导通模式下水内部和ptfe表面上电荷分布的md模拟图。
[0037]
图4d是显示在分别导通模式下和关断模式下，edl中形成的正负电荷对数量的比较图。
[0038]
图5a至5c是显示由液滴撞击存储的表面电荷与ptfe薄膜厚度影响之间关系的图；其中：
[0039]
图5a显示了不同厚度的ptfe薄膜在相同时间(1.6
×
104)的液滴撞击后测得的q
max
的变化，表明这种电荷存储方法对ptfe薄膜的厚度不敏感。
[0040]
图5b显示了输出电压的变化与单个液滴撞击次数的关系。
[0041]
图5c显示了测量的输出和测量的q
max
之间的相关性。
[0042]
图6是示意图，显示了通过液滴撞击或离子注入分别在ptfe上保持高电荷存储和稳定性的情况。聚四氟乙烯是一种有前途的驻极体材料，具有高负电荷储存能力和强大的稳定性。通过连续的液滴撞击(左)或离子注入(右)可以保持这种优越的性能。通过液滴撞击存储的电荷来自于ptfe和水之间的接触起电。此外，pffe薄膜上的负电荷也可以通过离子注入来加强，这是用商用抗静电枪(zerostat3，milty)从～5厘米5的垂直距离注入各种离子，包括co
3-、no
3-、no
2-、o
3-和o
2-。
[0043]
图7是显示从tide-g和控制装置测得的电荷量的比较图，以应对单个液滴的连续撞击。从tide-g测得的输出电荷(红色)为～59nc，比teng装置的输出电荷高～760倍(请见图7的右边部分)。
[0044]
图8a至8d包括有关基于teng进行的控制实验的摄影图片、示意图和图表，其中：
[0045]
图8a是显示依原样制造的teng装置的光学图像。
[0046]
图8b是显示该装置的详细工作机制的示意图。
[0047]
图8c是显示teng在连续液滴冲击下的电压输出变化的图表。其中的插图显示了由单个液滴撞击产生的电压随时间变化的情况。
[0048]
图8d是图表，显示在每次测试中，teng中转移的电荷量(上部曲线)被测量为与离
开的液滴携带的电荷量(下部曲线)相同，证实了teng的发电量确实来自于接触起电效应。
[0049]
图9是显示tide-g的电输出与负载电阻的关系的图。随着负载电阻从1kω增加到100mω，测量到输出电压从0.45v到170v不等，输出电流从410μa下降到1.55μa。当负载电阻为33.2kω时，最大输出功率密度为69.8w/m2。
[0050]
图10是显示ptfe上的电荷在不同湿度下的稳定性的图；其中当保持在40rh％的湿度下30天时，ptfe上的电荷仍然相当稳定，没有明显的衰减。随着湿度的增加，测量的电荷量有一个相对较大的劣化。
[0051]
图11是显示由tide-g充电的电容器的图。该电容器在典型的全波整流器中具有10μf的电容(见插图)，在频率为3赫兹、8赫兹、15赫兹和30赫兹的连续水滴冲击下，可以分别被充电到3v、7.5v、11v、15.4v。这些结果表明，通过增加水滴撞击的频率，从tied-g产生的电能可以得到加强。
[0052]
图12是显示在ptfe表面加载或不存储足够电荷的最大铺展面积a
max
的比较图。
[0053]
图13是显示从tied-g和teng离开的液滴的测量电荷与we的函数比较的图。很明显，无论we如何变化，从tide-g和teng离开的液滴的测量电荷量没有明显的差别，这表明我们的tide-g的发电量的提高不是来自于接触起电。误差条表示三次测量的标准误差值。
[0054]
图14a至14b是电路图，分别显示关断模式和导通模式的等效电路；其中：
[0055]
图14a显示在撞击的液滴与漏极接触之前，在水/漏极界面没有形成电容。因此，c
p
和c1保持在开路状态，它们之间没有电荷流动。
[0056]
图14b显示相反地，随着漏极和聚四氟乙烯的连接被作为栅极的液体渲染(导通模式)，另一个电容c2在水/漏极界面处建立，与c
p
和c1一起形成闭合电路。
[0057]
图15是显示输出电压与液滴盐浓度关系的图。当离子浓度增加到10-3mol/l时，测量到的最大电压达到～170v，超过这个浓度，输出电压就会衰减，可能是由于在如此高的浓度下无法再次形成edl。
[0058]
图16是显示由聚丙烯(pp)(图的左边部分)和聚二甲基硅氧烷(pdms)(图的右边部分)制成的tide-g产生的输出电压的图。在类似的表面电荷下，由pdms和pp制成的tide-g装置表现出与由ptfe制成的tide-g相当的初始输出。然而，与后者不同的是，pp和pdms制成的装置的输出表现出快速衰减，部分原因是电荷稳定性相对较差。
[0059]
图17是显示ptfe薄膜厚度与ptfe前体体积的关系的图。随着ptfe前体的体积从100μl增加到250μl，ptfe膜的厚度从6.7μm线性增加到16.9μm。
[0060]
图18是一个示意图，显示了分别固定在ptfe和ito电极的原子层上的负电荷和正电荷。
具体实施方式
[0061]
水能是地球上最丰富、最实惠和最可持续的资源之一。由于对可持续和可再生能源的需求不断增加，追求新的策略以实现从绿色和可回收来源(如雨滴)的高效发电已得到越来越多的关注。尽管取得了广泛的进展，但有效地收集水滴的流体力学能量仍然具有挑战性。例如，迄今为止，由于界面效应的限制，基于液体/固体的摩擦起电纳米发电机(teng)的输出功率密度低于1w/m2，其特点是电荷的产生和转移发生在固/液或液/液界面。因此，本发明及时提供了新的方法，从根本上克服了界面效应的限制。
[0062]
本发明涉及一种“类似于晶体管”的撞击液滴发电机，以下也称为tide-g，其中ito电极、铝电极和水滴分别作为源极、漏极和栅极。聚四氟乙烯(ptfe)已被确定为一种驻极体材料，具有较高的负电荷储存能力和很强的稳定性，可以通过连续的液滴撞击来保持，它被设计在ito源的顶部，作为一个虚拟源极发挥作用。ptfe使ito上的正电荷的静电感应成为可能。得出本发明的实验表明，柔软的、可变形的液滴的铺展将设备中原本不相连的部件连接成一个封闭的电气系统，将传统的固/液界面效应转化为理想的体效应。这种独特的设计允许电荷在源极/虚拟源极和漏极之间进行可逆和有效的转移，从而使功率密度相对于深受界面效应影响的同类产品来说，提高了几个数量级。本发明适用于各种系统或应用，并可代表高效能量收集的先进设备设计的范例式转变。
[0063]
本发明涉及到两个方面的结合。第一个方面是关于现代电子学的构件
‑‑
场效应晶体管，由四个主要部件组成，即栅极、源极、漏极和衬底(基底)，当在栅极施加外部电压时，它们可以动态地对源极和漏极之间的载流子传输进行控制。请参见图1a。图1b显示了我们的类似于晶体管的发电机的示意图，称为tide-g，其中源极由透明的ito制成，漏极由铝电极组成。
[0064]
第二个方面是关于连续液滴撞击的行为，它是诱导ptfe上高电荷密度的一种简单方法。ptee已被发现是一种有前途的驻极体材料，具有高电荷储存能力和稳定性。如图1c和图1所示，随着液滴撞击次数的增加，表面电荷也逐渐增加。得出本发明的实验表明，ptfe表面可以作为一个丰富的电荷库，在ito上静电诱导相同数量的相反电荷，并确保连续和可逆的电荷转移。由于ptfe驻极体与高电荷储存密度有关，其稳定性也可以通过连续的液滴撞击来保持，因此它可以作为一个虚拟源极。当滴落的液滴在ptfe表面铺展时，它诱导ito源极和漏极之间的电荷转移，将原本断开的端子连接成一个封闭的系统，这个过程让人联想到在场效应晶体管的情况下，在栅极电压的作用下形成的栅极通道。在我们的tide-g中，类似于栅极的通道的动态形成，还伴随着在两个端子同时建立电双层(edls)，最终导致优先电荷分离和离子向各自端子的定向传输。从能量的角度来看，连续撞击的液滴也作为软的、可配置的变压器，动态地调节高效的水动能到电能的转换。因此，通过仔细控制源极/虚拟源极、漏极和栅极之间的协同合作，已经表明，通过按需将传统的界面效应转化为来自可持续源头(如雨滴)的理想的体效应，可以实现连续和高效的电能生产。
[0065]
图2a显示了由四个独立单元并联而成的透明tide-g的光学图像。每个装置都是用滴注法在ito玻璃基片上涂上厚度为13.4微米的ptfe薄膜，然后在120℃下加热玻璃片15分钟以除去所有溶剂。小小的铝电极被组装到ptfe上，形成一个漏极。当单个液滴撞击在已制造好的设备表面时，可以得到令人感兴趣和意想不到的结果，在这些设备上，ptfe表面已经加载了足够的电荷，无论是通过连续的液滴撞击还是离子注入。同时，请见图6。如图2a所示，四个液滴从15厘米的高度释放，体积为l00μl，可以点亮400个商用led。对单独的tide-g的关注表明，开路输出电压、短路电流和电荷的测量值分别为170v、410μa和59nc。请参见图2b、2c和图7。据此，与不使用类似于晶体管的设计的控制装置，即基于teng的控制装置相比，其改进幅度分别为～350、～4000和～760倍。请见图8a～8b。为了进一步验证改进和最大功率输出，还测量了不同负载电阻下的输出特性。随着负载电阻从1kω增加到100mω，输出电压从0.45v变化到170v，输出电流从410μa下降到1.55μa。当负载电阻为33.2kω时，最大功率密度为69.8w/m2。请参见图9。该功率密度比同类产品高出三个数量级。参照图10，当
在40rh％的湿度下保存30天时，该器件没有表现出明显的输出衰减，测量电荷稳定在～49nc。为了验证tide-g的实际应用，还进行了进一步的测试，在连续的液滴冲击下，通过一个典型的全波整流器对一个10μf的电容器充电。在170秒的时间内，该电容器可以被充电到3.1v。请见图11。此外，通过增加液滴撞击频率可以进一步提高充电率。
[0066]
从上述情况来看，根据本发明，在我们的设计中实现了更高的功率密度以及整合了几乎所有的优越性能，这表明tide-g是由一个独特的工作机制赋予的。为了证明这一机制，我们绘制了测量电流随时间变化的图表。请见图3a和3b。当它与ptfe接触时，铺展的液滴没有明显的电流输出，表现出一种关断状态。这样的过程基本上是传统的接触起电，其中电荷的产生受到界面效应的限制。然后，电流表现出很大的加速度，在t
on
＝0ms时有一个明显的峰值，达到410.1μa，过渡到一个导通状态。通过仔细同步液滴铺展动力学和电流响应，以及绘制ptfe/ito和漏极之间的电荷随时间变化的电流-时间曲线，可以得到更有趣的特征描述。进一步的检查还表明，电流的急剧增加源自于铺展的液滴与漏电极的接触。这种电流的突然跳跃让人联想到正电荷从ito电极向漏极的定向和快速转移，这在我们的实验测量中得到了验证。请看图3c。如图所示，测量的电荷迅速增加，这与在电流上观察到的模式是一致的。随着液滴铺展的进展，正电荷转移持续到另一个关键时间点t
max
＝2.1ms，这与最大铺展面积a
max
＝2.72cm2(图3b)，零电流和最大q
max
＝59.3nc(图3c)有关。有趣的是，随着液滴的回缩和滑动，正的电流转为负的电流，伴随着电荷的逐渐下降，表明正电荷从漏极到ito的回流的发生。当液滴在t
off
＝15.7ms时完全脱离漏电极，而电流和测量的电荷都下降到零，再次反转到关断的状态。在这种情况下，所有的电荷都恢复到源极，使得重新启动一个新的周期成为可能。如图3c所示，这种可逆性通过循环电荷测量得到进一步确认。值得注意的是，在每个周期中，源极和漏极之间转移的电荷量是恒定的，这表明在这个过程中没有来自ptfe或水的额外电荷供应，尽管电荷转移或发电是由柔软、可变形的水滴控制的。
[0067]
为了进一步证实我们的tide-g的出色性能的原因，我们测量了从源极到漏极转移的最大电荷q
max
与韦伯数的关系。请看图12，其中we＝ρdv2/γ，其中d、v和γ分别是液滴的直径、冲击速度和表面张力。如图3d所示，电荷与we成线性比例：通过改变释放高度，当we从27.6增加到130.9时，转移的电荷从21.9nc增加到68nc。相反，如果不使用类似晶体管的设计，teng上的测量电荷可以忽略不计，对we或最大铺展面积a
max
～we不敏感。另外，从tide-g和teng离开的液滴测得的电荷也没有明显的区别。请见图11。因此，源极和漏极之间转移的电荷量对变化的we的依赖性表明，发电量是由撞击的液滴和tide-g的独特构造之间的相互作用精确调节的，而不是来自于界面接触起电。
[0068]
这里讨论了类似晶体管设计的高效和持续发电的行为。考虑到最大的水/ptfe接触面积a
max
为2.72cm2和测量的电荷q
max
为59.3nc，在ptfe上建立的电压被计算为～170.9v，这与我们的实验测量相一致。这表明虚拟源极和源极的独特作用，它们为发电提供了充足的电荷。为了进一步阐明可逆电荷释放的原因，我们研究了详细的电荷转移过程。在撞击的液滴与漏极接触之前，即在关断模式下，在水/漏极界面没有形成edl(图4a)。当ptfe携带足够的负电荷时，ptfe内部建立的电场e1阻止了散装水中的正电荷向ptfe表面的定向流动，从而抑制了液体/ptfe界面有效edl的形成(i，ii)。相反，当ptfe和漏极被铺展的液滴连接时(iii)，漏极上存在比ptfe更高的电位，导致在液滴内建立额外的电场e2，从而将离子的原始随机运动转变为定向流动，正离子和负离子分别向ptfe表面和漏电极流动。同时，由于
水/ptfe和水/漏极界面的edl效应强于ptfe和ito之间的静电作用，这些最初在ito上感应的正电荷可以被释放并流向漏极(iv-vi)。综合来看，这些结果描绘了一幅生动的画面，即ptfe、ito和铺展的液滴确实分别作为虚拟源极、源极和栅极通道，所有这些都无缝协作，使可逆和高效的电荷转移促进了发电量。
[0069]
分子动力学(md)模拟也证实了edl在导通模式下的优先形成。如图4b所示，在关断状态下，负离子和正离子随机地分布在水层中，在水/pffe处形成的edl数量微不足道。相反，当tide-g处于导通模式时，正负电荷有一个优先分离，从而避免了关断状态下的屏蔽效应，图4c。在这种情况下，水/ptfe界面上的正负电荷的数量比其对应的数量级大两个数量级(图4d)。
[0070]
另外，也从简单的能量角度分析了整个系统。在导通模式下，类似于栅极的液滴作为一个电阻，而ptfe可以被视为一个电容c
p
，其中水/ptfe分别作为顶板，ptfe/ito作为底板。电容器上的电压可以表示为dσ
p
/ε
p
，其中σ
p
、ε
p
和d分别是ptfe的电荷密度、介电常数和厚度。在水/ptfe界面和水/漏极界面也分别建立了两个额外的电容器，从而形成了一个闭合电路。请见图14a至14d。由于电容器c
p
的电容，比水/ptfe和水/漏极界面处的两个电容器小三个数量级，因此在导通模式下，几乎所有这些储存在c
p
底板上的正电荷都可以转移到其他两个电容器上。此外，在充电过程结束后，c
p
可以被其他两个电容器重新充电。因此，ito和漏极之间的可逆和有效的电荷转移为储存在可配置的类似于栅极的液滴中的流体力学能量的转换提供了一个途径。事实上，正如图3d中所讨论的，对于具有较大we的撞击液滴，由于存在较大的电荷转移铺展区域，因此可以实现更多的发电。值得注意的是，在整个过程中，虚拟源极(ptfe驻极体)由于其高电荷稳定性而保持了恒定的电荷密度，如图3c中讨论的可逆电荷测量所证实。不过，通过控制ptfe驻极体的高电荷密度，可以改善水动能到电能的转换。
[0071]
我们的类似于晶体管的设计也适用于不同离子浓度的水。为了证明我们发电机的普适性，我们随后测量了不同水溶液下的发电量。在10-7
摩尔/升的低离子浓度下(纯去离子水)，由于缺乏足够的离子在源极/水和漏极/水界面同时形成edl，所以发电量可以忽略不计。当离子浓度增加到10-3
摩尔/升时，出现了高达～170v的最大峰值电压，超过这个数值，输出电压就会下降。这是因为，在高浓度下，散装水中的离子可能会屏蔽edl，从而阻止它们定向流向虚拟源极或漏极表面。请参见图15。由于ptfe具有很强的电荷和润湿稳定性，根据本发明由ptfe制成的实施例也表现出相对较好的稳定性。请参见图10。这样的电荷稳定性也因连续的液滴撞击而得到加强，它可以向ptfe提供电荷，从而保持卓越的稳定性。因此，在加上作为能量源和上述的类似于栅极的通道，水滴表现出三重功能。对于由聚二甲基硅氧烷(pdms)和聚丙烯(pp)制成的控制装置作为虚拟源极，由于这些表面的电荷稳定性差，性能迅速下降，尽管它们的初始功率输出与ptfe制成的tide-g相当。请见图16。
[0072]
从根本上说，根据本发明，我们的设备的发电量是由体效应而不是界面效应决定的。虚拟源极、源极、漏极和可配置的栅极液滴之间的合作允许水动能能量的可逆、高效和可持续的转换，这种能量通常不用于发电。撞击水滴的可配置性和柔软性确保了高的液体/固体接触面积，促进了有效的电荷转移，这也与固体/固体接触电气化形成了鲜明的对比，后者受到有限的点接触的影响。除了增强的性能、光学透明度和成本效益等优势外，类似晶体管的设计也可以在柔性基底上构建。这种设计原理代表了一种潜在的范例式转变的解决
方案，以解决由界面效应带来的固有的功率密度限制，并可能为有效地收集潮汐、波浪或滴落的水滴形式的丰富的水动能能源开辟新的途径。
[0073]
下面对导致本发明的实验进行了更多的描述。
[0074]
方法
[0075]
材料。丙酮(rci labscan，99.5％)、乙醇(sigma aldrich，97％)、硝酸(sigma aldrich，70％)、聚四氟乙烯前体(dupont af 601s2，6wt％)，聚二甲基硅氧烷(dowpdms 184)，无需进一步提纯即可使用。
[0076]
tide-g装置的制备。为了制造tide-g，首先将一块30毫米
×
30毫米
×
0.4毫米的ito玻璃片分别在丙酮和乙醇中进行超声清洗10分钟。然后，用滴铸法将前驱体聚四氟乙烯(ptfe)沉积在ito玻璃上，接着在120℃下加热15分钟以去除ptfe前驱体中的所有溶剂。ptfe薄膜的厚度可以通过控制前驱体的体积来调整(扩展数据，图13)。为了构建漏极，一个尺寸为1毫米
×
5毫米的微小的导电铝带被组装在已制备的ptfe薄膜上。用pdms薄膜和商用聚丙烯(pp)胶带作为电介质层的控制装置也是用类似的方法制备的。pdms薄膜是在ito玻璃上通过固化聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合液体(配比为10：1)形成的，有一定的体积。
[0077]
表征和电学测量。水滴的铺展和回缩动态由高速摄像机(photron fastcam sa4)记录，典型记录速度为6000fps。tide-g的电压输出是用装有高阻抗(10mω)探头的示波器(rohde&schwarzrte，rte1024)测量的。ito(源极)和铝电极(漏极)之间的电流和转移的电荷分别用示波器与低噪声电流前置放大器(斯坦福研究系统sr570型)和与纳米库仑计(monroe 284型)相连的法拉第杯进行测量。水滴的体积被固定为100μl，并将制造好的装置倾斜45
°
以使液体快速脱离。为了测量从源极转移到漏极的最大电荷q
max
的变化，作为韦伯数或最大铺展面积的函数，水滴的释放高度在1到20厘米之间变化。在典型的测量中，相对湿度和环境温度分别保持在40％和20℃左右。
[0078]
分子动力学模拟。为了模拟水滴与制造的装置接触时的edl形成过程，本工作中进行了分子动力学(md)模拟。采用了tip4p/ice 39水模型，这是在水的理论研究中常用的水模型。水的各种特性，如熔点、密度和相图等，已经通过使用tip4p/ice成功再现。由于tip4p/ice是一个刚性模型，我们在水中引入了相同数量的钠离子和氯离子来研究电荷运动。md系统包括40000个水分子，其中808个na

和808个cl-被溶解在水中。为了模仿实验装置，用刚性和光滑的疏水原子层分别代表ptfe和电极。800个负电荷和800个正电荷被固定，间距为如图14的扩展数据所示，在ptfe和电极的原子层上分别固定了800个负电荷和800个正电荷，每个位点都带电荷
±
e。带有溶解的na

和cl-离子的水分子最初在300k下进行了3ns的md模拟平衡，基材上没有任何电荷。然后，在300k的nvt集合中进行了5ns的md模拟。该模型的盒子大小为17.3nm
×
17.3nm
×
31.4nm。周期性的边界条件被应用于x和y方向。na

和cl-的参数取自以前的研究40((的参数取自以前的研究40((ε
na
＝0.5216kj/mol，ε
cl
＝0.5216kj/mol)。水与钠离子和氯离子之间的交叉lj相互作用参数由洛伦兹-伯特洛规则给出。基底原子和nacl水溶液之间的相互作用由12-6lj电位描述(ε
na-sub
＝0.4785kj/mol，ε
cl-sub
＝0.4785kj/mol，＝0.4785kj/mol，ε
o-sub
＝0.6223kj/mol)。快速平滑粒子网格ewald方法用于静电相互作用，真实空间截止点为
范德瓦尔斯相互作用被截断在在md模拟中，牛顿运动方程的时间步长为1fs，采用跃迁算法进行整合。nos
é‑
hoover方案被用来控制系统的恒定温度。所有的md模拟都是通过使用gromacs 4.5.5软件进行的。
[0079]
现将本发明进一步阐述如下。
[0080]
连续液滴撞击对发电的影响
[0081]
上述讨论表明，由ptfe制成的tide-g存储了足够的电荷，可以实现可逆和有效的发电。需要注意的是，ptfe上的足够电荷可以通过连续的液滴撞击来实现。图1c显示了从单个撞击的液滴测得的输出电压的变化与撞击的液滴数量的关系。随着液滴撞击次数的增加，q
max
和输出电压逐渐增加，随后在撞击1.6
×14
次后，电荷和电压分别稳定在50.2nc和143.5v，达到一个最终的平稳状态(见图1c)。此外，这种电荷存储方法适用于ptfe薄膜的广泛厚度范围。我们的结果表明，水滴撞击相同的次数(1.6
×
104)后，最大转移电荷是相当的，ptfe薄膜的厚度从6.7微米到16.9微米不等(见图4b)。我们注意到，电压随着ptfe薄膜的厚度线性增加，这与电路模型预测的趋势一致(见图5c)。
[0082]
与传统teng的比较
[0083]
为了说明我们的类似于晶体管的设计的独特优势，我们还对不使用类似于晶体管结构的控制样品，即摩擦起电纳米发电机(teng)的性能进行了描述。请注意，teng的ptfe表面是用与tide-g相同的方法制备的。图8a和8b分别显示了基于液滴的teng的光学图像以及其基本工作机制的示意图。在液滴与ptfe接触之前，由于静电感应，ito(正)上的电荷量与ptfe(负)上的电荷量是一样的。因此，没有电流从ito流向地面(i)。当水滴在撞击(ii)后离开ptfe表面时，它变得带正电荷，而ptfe由于接触起电而更带负电荷。因此，在地面和ito电极之间会产生电流(iv)。如图8c和8c所示，对于单个液滴，输出电压和转移的电荷量分别为～-0.4v和～0.075nc，与tide-g的情况相比，这两者都是可以忽略不计的。此外，在每个实验中，teng中转移的电荷量与离开的液滴携带的电荷量相同(见图8d)，这证实了teng的发电量确实来自于摩擦起电效应，这本质上是一种界面现象。值得注意的是，通过连续的液滴撞击或离子注入方法，可以提高ptfe表面的负电荷量，然后可以在ito上诱发正电荷。然而，由于ptfe上这些负电荷的吸引，这些正电荷不能从ito上释放出来，也没有明显的发电量，这与tide-g的情况形成了鲜明的对比。所有这些结果都令人信服地强调了tide-g的独特优势，它的特点是具有体效应，从而导致了发电量大大增加。
[0084]
最大铺展面积a
max
[0085]
在本发明的过程中，还研究了在固定撞击we＝100的情况下，最大扩展面积a
max
与表面电荷的关系。如图12所示，对于没有存储电荷的ptfe薄膜，测得的最大铺展面积a
max
为2.71cm2，这与存储电荷的ptfe测得的a
max
相当(2.72cm2)。这一结果表明，最大铺展面积对ptfe薄膜的表面电荷不敏感。
[0086]
电路分析
[0087]
在本节中，我们从电路的角度讨论整个液滴和装置6。当液滴在存储有足够负电荷的ptfe表面铺展时，与ptfe的基底接触面积会随着时间的推移而动态变化。以水/ptfe为顶板，ptfe/ito为底板，分别形成一个电容器c
p
。对于特定的水/ptfe接触面积，电容器上的电压可以表示为dσ
p
/ε
p
，其中σ
p
、ε
p
和d分别是表面电荷密度、介电常数和ptfe的厚度。在水/ptfe界面，存在一个额外的电容c1。在撞击的液滴与漏极接触之前，在水/漏极界面没有形
electric double layers.chem.phys.lett.112,49-53(1984).
[0133]
38 nguyen,v.&yang,r.effect of humidity and pressure on the triboelectric nanogenerator.nano energy 2,604-608(2013).
[0134]
39 matito,e.,duran,m.&sola,m.the aromatic fluctuation index(flu):a new aromaticity index based on electron delocalization.j.chem.phys.122,014109(2005).
[0135]
40 koneshan,s.r.,jayendran c.；lynden-bell,rm；lee.solvent structure,dynamics,and ion mobility in aqueous solutions at 25℃.j.phys.chem.b 102,4193-4204(1998).