本文摘要：摘要：利用微观尺度下的固-液界面作用收集电能实验的基本原理为流动电势。木材结构材料天然具备定向排列的微米尺度孔道，可以通过毛细力将水吸入其中。将这些微孔道加以化学修饰，就可以利用流动电势原理将水蒸发能量转换为电能。该文通过设计新型微电子器件
摘要：利用微观尺度下的固-液界面作用收集电能实验的基本原理为流动电势。木材结构材料天然具备定向排列的微米尺度孔道，可以通过毛细力将水吸入其中。将这些微孔道加以化学修饰，就可以利用流动电势原理将水蒸发能量转换为电能。该文通过设计新型微电子器件，开拓学生学术视野，丰富学生对于交叉学科领域应用的理解，培养学生主动发现问题、解决问题的能力。
关键词：木材;蒸发;流动电势;实验教学;水伏
设计具有交叉学科学术背景的创新型实验是当今专业实验教学中的一个关注重点[1]。这可以为培养适合“中国制造2025”计划的高素质人才打下坚实基础，为学生们日后在工作中利用创造性思维解决实际问题提供更丰富的思路[2]。近年来，利用水蒸发驱动发电并制备各种小型微电子器件成为一个学术热点[3-5]。
郭万林院士作为该领域的先驱者，将基于这种水蒸发驱动的微电子器件制备与相关的基础科学研究称为“水伏科技”，并呼吁广大科研工作者加入研究，推动该领域的快速发展和进步[6]。虽然水伏器件产生电流的准确机理还有待进一步研究，但学术界目前的主流观点认为其与渗透压造成的动电效应密切相关。基本原理为流动电势现象，即在带电狭小孔道或缝隙中，电解质溶液在压力梯度的作用下会在孔道两端产生电势差[7]。
近年来，基于此种动电现象展开的研究，已经成功实现了可长时间稳定持续输出电压电流，分别达到1V和微安级别。相关代表性工作主要是基于多孔碳颗粒和氧化石墨烯[8-13]。以碳黑为例，将碳黑样品部分插入去离子水中，水分子在毛细力的驱动下沿着多孔碳黑颗粒内部形成的纳米孔道上升，并通过与孔道壁上的羧基发生作用而释放出自由质子，在毛细管压力的作用下产生持续的流动电流。在室温环境下，通过蒸发过程，在厘米大小的碳黑薄膜中持续产生可达1V的电压。
基于本团队的前期工作，本实验利用天然木材，制备水蒸发驱动发电机[14]。利用柠檬酸进行化学修饰使木材孔道内壁富含羧基，提高器件的短路电流和开路电压。实验进行前，要求学生进行文献调研，了解水伏科技发展动态，熟悉实验流程和器件基本工作原理。实验内容包括样品制备、样品表征、器件性能测试和相关仪器操作。最后收集实验数据并进行整理和分析，撰写实验报告。
1实验教学设计
1.1实验试剂和设备
主要材料：柠檬酸(citricacid,CA)，三乙胺(triethylamine,Et3N)，无水乙醇，丙酮(AR级，Aladdin试剂公司)，12目塑料网(PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯)，橡皮筋，CH-8导电碳浆，榉木(阿里巴巴)，去离子水(SynergyUV)。主要设备：鼓风干燥箱(DHG-9053A，上海一恒科技有限公司)，场发射扫描电子显微镜(SEM,Quanta250,FEI公司)，纳米粒度分析仪(ZetasizerNanoZSE,Malvern)，接触角仪(DataPhysicsOCA35)，数字万用表(Keithley2400)。
1.2PET网格电极的制备
将PET塑料网在乙醇中清洗10min，将其彻底涂覆CH-8导电碳浆。然后将网格转移到鼓风干燥箱中，在80℃下加热2h，取出，室温冷却备用。
1.3柠檬酸修饰木头的制备
将榉木切割为5cm×5cm×1cm的小块，用丙酮洗涤15min，置于通风橱中挥发3h。将干燥的木头块浸入装有200mL柠檬酸和10mL三乙胺混合物的500mL烧杯中。浸泡2h后，将样品从液体中取出，在120℃的干燥箱中加热4h，将反应后的样品在丙酮中洗涤多次后以除去未反应的试剂。
1.4木头发电机的制备
木头发电机的制备相当简单，只需要使用橡皮筋将两个PET网格电极绑在一块木头两端。
1.5测试与表征
蒸发驱动发电机电信号测量：将组装好的木头发电器件放置在培养皿中，去离子水加到刚好接触到木头底部的高度。使用Keithley2400万用表在25℃室温和60%相对湿度下实时记录来自木材发电机的电流和电压信号，通过在相连接的电脑上的控制软件实现，仪器采样率为1001s。
形貌表征：将木头切成薄片，然后使用液态氮浸泡脆断以最大程度保持木头内部形貌。使用场发射扫描电子显微镜对木头结构进行形貌表征并统计木头内部孔道的尺度分布。Zeta电位：使用少量木屑在25℃下使用粒度分析仪测试。木头表面接触角测量：使用4μL的水滴在接触角仪上测量木材的水接触角，由于木材本身的多孔性和亲水性，水滴会最终渗入木材。所以在实际操作中，只记录了水滴接触木材表面5s后的接触角，以便于比较。
1.6注意事项
学生必须进行实验室安全培训且测试合格后方可进入实验室进行操作。实验进行中，必须有两人以上在场。指导教师在学生进行具体实验操作前应先确保学生清楚各项实验操作的目的，仪器工作原理以及该项流程在实验整体中的地位。
2结果与讨论
2.1流动电势原理阐释和器件制备演示
在带电狭小孔道或缝隙中，电解质溶液在压力梯度的作用下会在孔道两端产生电势差，这就是流动电势。外力驱动下界面处的双电层发生剪切运动，导致扩散层中净电荷随液体流动在一端堆积，形成流动电流并在孔道两端产生电势差。
2.2木头结构表征
榉木样品垂直于生长方向的SEM截面图像。可以明显观察到很多定向排列的微孔道。这些孔道是树木生长所需的水分和营养物质的输送通道，在本实验中，微通道可以被视为细小的毛细管。有很多小于10μm直径的小洞在孔道壁上，这些小洞负责树木中垂直于生长方向水和营养的传输，对于生长方向的水蒸发传输起到的作用有限。榉木生长方向的SEM截面图。对观察到的这些孔道做尺度分布的分析，就会发现孔道的直径主要集中在10μm左右。
2.3柠檬酸修饰的影响
组成榉木的纤维素含有大量羟基。当水因毛细作用在木材孔道中流动时，纤维素可以水解并生成水合氢离子满足形成流动电势的条件。根据前期研究表明，利用天然椴木可以得到2.2μA短路电流和35mV开路电压。然而这并不足以使一些微电子器件工作。在本实验中，根据式(3)和(4)，可以使用柠檬酸修饰木头，使其产生大量羧基，提高zeta电位绝对值的同时使其更加亲水，这样就可以同时提高电压和电流了。柠檬酸可以与纤维素中羟基发生酯化反应，令木头表面和内在的孔道壁都产生大量羧基，从而使zeta电位的绝对值更高。同时，由于羧基的生成，木头整体变得更加亲水。
2.4木头发电机的发电性能
将化学修饰后的榉木制备成发电器件进行测试，开路电压可以稳定在300mV左右。用塑料膜将器件密封起来，可以观察到电压信号经过2h左右缓慢下降，最终信号接近消失。一旦将器件的密封撤走，电压信号又可以在0.5h内缓慢恢复到原来的300mV左右。原因是密封会令器件周围的湿度变大，并使得蒸发变慢，最终由于湿度饱和蒸发会变的极慢造成水在木头孔道中的流动接近停止。这直接证明了利用流动电势收集电能离不开水的蒸发。
2.5实验拓展
水蒸发驱动发电作为一个新兴科研领域，其器件原理与制备都与过往的半导体微电子器件有着本质区别。要求学生在了解器件基本实验流程的基础上，能够向更深层次进一步思考。根据式(3)和(4)，电压与毛细管直径成反比，电流与毛细管直径成正比，与长度成反比。不同密度的木材其内部孔道的尺寸是不同的。一般来说，密度越大的孔道越细，密度越小的孔道越粗。因此，可将实验内容拓展，研究不同密度的木材对发电的影响，寻找得到最佳发电功率的木材;同时研究木材厚度和木材孔道排列方向对发电的影响。这些拓展性实验可加深学生对这一新型水伏器件发电原理的理解。
电子论文投稿刊物：《信息记录材料》(双月刊)创刊于1978年，是由全国磁性记录材料信息站主办、全国感光材料信息站、中国卫生摄影协会医学摄影图像分会协办的学术类科技期刊。获奖情况：中国科技论文统计源期刊(中国科技核心期刊)、《中国学术期刊(光盘片)》全文收录期刊、《中国学术期刊综合评价数据库》来源期刊。
结语
本实验首先向学生介绍新型水蒸发发电器件发展，带领学生认识“水伏科技”这一新兴领域。通过利用木头的定向排列的密集孔道和其易于化学修饰的特点，制备水蒸发驱动木头发电机，并将4个木头发电器件串联为微型电子器件供电。本实验基于前期相关科研课题的研究，通过对微电子器件制备基础实验的改造和综合应用，促进学生主动学习最新学术热点的热情，拓宽和丰富了学生的学术视野和思维，鼓励学生对于交叉学科领域的创新性探索，培养学生主动创造性解决实际问题的能力。
参考文献(References)
[1]吴音，刘蓉翾新能源环境友好材料制备及性能表征实验教学探索[J]实验室研究与探索，2018,37(6):197–199
[2]朱革，辛双宇，王闯，等基于“新工科”背景下新能源材料与器件专业建设研究[J]信息记录材料，2019,20(1):165–166
[3]XUEG,XUY,DINGTetalWater-evaporation-inducedelectricitywithnanostructuredcarbonmaterials[J]NatureNanotechnology,2017,12(4):317–321
[4]LIUX,GAOH,WARDJEetalPowergenerationfromambienthumidityusingproteinnanowires[J]Nature,2020,578(7796):550–554
[5]ZHANGZ,LIX,YINJetalEmerginghydrovoltaictechnology[J]NatureNanotechnology,2018,13(12):1109–1119
[6]郭万林，张助华水伏科学与技术的召唤[J]科学通报，2018,63(27):2804–2805
作者：张文峦
转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/dzlw/26572.html
