S型源表之纳米水伏发电材料性能测试

一、案例项目简介

1.项目背景

随着全球能源需求日益增长同时对环境保护的重视，传统化学能发电已逐渐不适应当代社会的复杂要求。同时能源的需求和应用领域也越发多样化，基于这些现实需求，云南某大学的张博士为解决这些问题，他以新材料为切入点关注新材料的发电研究：基于纳米材料的水伏发电及其发电性能。希望以此为突破点，推动新能源发展以及促进能源多样化供应。

2.项目痛难点

(1) 研究纳米材料种类多样；

(2) 多种纳米材料需要在同一测试条件下进行发电性能比对；

(3) 确定纳米材料发电功率及发电条件；

二、纳米材料发电及纳米材料水伏发电

1.纳米材料发电种类

纳米技术经历了几十年的发展，现在已经走入人们的日常生活中，各种纳米材料目前在世界范围 内得到了广泛的应用。纳米器件拥有尺寸小、功耗低、反应灵敏等特点，但纳米器件的运行必须 有电池和集成电路的支持，目前无法达到意义上的为解决这一问题，院士王中林J授2006年提出纳米发电机的理念，使纳米发电机的研究成为微型能源研究领域的热点， 进而开辟了纳米材料发电这一新兴的学科领域。

纳米材料发电目前有几种技术路线：

(1) 纳米压电发电

纳米压电电子学原理是利用原子力显微镜探针，压迫氧化锌纳 米线产生弯曲，使锌离子和氧离子产生了电势能并形成电流。 在此基础上，选用兼具压电效应和半导体效应的氧化锌，利用 纳米线、纳米薄膜等材料的结构特性，成功发明了纳米发电 机，实现了将周围环境中的机械能转化成电能的目标。另外， 利用超声波等其他方式，也可为纳米压电材料提供机械能。

(2) 纳米热释电发电

利热释电(Pyroelectric)纳米发电机是一种能量收集装置，它能 够利用纳米结构的热释电材料把外界的热能转换成电能。通常，热能的收集主要依靠器件两端的温差驱动载流子扩散的塞 贝克效应。

(3) 纳米静电摩擦发电

利用日常生活中摩擦起电这种静电现象，可产生足够的能量。而采用纳米技术来制造特定材质的两种摩擦表面，还可以使摩擦有效面积扩大，从而提供更强的摩擦并转换出比压电效应更为可观的电能。

(4) 纳米水伏发电

通过纳米结构与水的流动、波动、滴落和蒸发直接相互作用来发电的能量转换效应，被称为水伏效应（hydrovoltaic effect），也称纳米水伏发电，这种效应为解决柔性传感系统的能源可持续供给提供了新思路。

2.纳米材料水伏发电

地球表面70％以上都被天然水体覆盖，是含量丰富的资源之一。无论地理位置或环境条件如何改变，天然水都可以通过吸收热能而自发地流动和蒸发。通过纳米结构与水的流动、波动、滴落和蒸发直接相互作用来发电的能量转换效应，被称为水伏效应（hydrovoltaic effect），这种效应为解决柔性传感系统的能源可持续供给提供了新思路。

然而，如何在变形条件下实现稳定发电和高输出功率，并实现轻量化、柔性化可穿戴传感微系统依然面临很多挑战。以下为水伏发电的几个技术路径：

(1) 水滴注入电荷纳米发电；

(2) 水流机械通过纳米材料；

(3) 水汽蒸腾纳米发电；

三、方案说明

1.测试要求

(1) 实时测试多种纳米材料在同一水条件下的发电情况；

(2) 不同纳米材料的发电条件不同，并需要数据记录；

(3) IV曲线扫描；

2.测试方案结构

△方案一、单通道纳米水伏发电测试

△方案二、多通道水伏发电纳米材料分选

3.测试原理及指标

蒸腾驱动发电机：在含有炭黑涂层的不对称湿棉布上，由毛细流动的水驱动进行发电，可产生Z大电压0.53 V, 电流3.91μA能量密度1.14 mWh cm−3。由多个蒸腾驱动发电机组 装产 生的能量，足以点亮一个20 mA×2.2 V的发光二管，或为一个1 F容量的电容器充电。

上图为不同液体对蒸腾纳米驱动发电机的影响

(A) 各种类型和性的液体对蒸腾纳米发电机的VOC的影响；

(B) 不同阳离子大小的盐溶液在不同条件下对TEPG的VOC的影响；

(C) 不同pH值的盐酸溶液下，测试出VOC的值；

(D) 湿碳与干碳电位差及电流流向示意图；

(E) 湿/干界面拟流行为和电生的机理示意图；

(F) 蒸腾纳米发电机的蒸发和吸附示意图；

4.扫描及图示

△测试连接实物图

(A) TEPG运行示意图；

(B) 测量TEPG的VOC、ISC和电阻分布；

(C) (D) (E) (F)为不同情况下，测量VOC的分布情况；

5.选型依据

以量程及测量精度为标准，同时支持等效电阻测试。

四、常见技术问题汇总FQA

1.检测时是否必须要用四线制接线法？

没必要。在测试纳米发电通常为u安级电流时，导线压降对测试结果影响有限，因此不需要用开尔文四线检测。

2.做纳米材料研究，如何确保测试的准确度？

在做纳米材料研究时，大多面对的是uA、nA甚至是p安级电流，为有效减小线缆漏电流对测试 的影响，可采用三同轴线缆进行连接。三同轴线缆内层与中间层线缆压降漏电流中 间层与外层线缆间压降大，漏电流大，对测试结果无影响。

3.在纳米发电材料研究时，普赛斯多通道源表的优势在哪里？

支持≤40通道同步实时测试；支付四象限模式可有效应对发电测试；支持恒流源或恒压源自定义线性输出模式切换；电阻值量程动态自动变更；具有定时扫描及连续测试功能；测试频率依NPLC数值可调；；支持测试数据导出；支持以太网、RS-232、GPIB快速连接通讯。