水蒸发驱动木头发电机制备与表征实验设计

ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
实验技术与管理
Experimental Technology and Management
第38卷第4期2021年4月
Vol.38 No.4 Apr. 2021
D O I: 10.16791/ki.sjg.2021.04.011水蒸发驱动木头发电机制备与表征实验设计
张文峦
(电子科技大学自动化工程学院，四川成都611731)
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人其中。

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
中图分类号：0647.9 文献标识码： A 文章编号：丨002-4956(2021)04-0052-05
Experimental design of preparation and characterization of water evaporation driven wood electricity generator
ZHANG Wenluan
(School of A utomation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)
A bstract: The basic principle o f the experiment on collecting electric energy by solid-liquid interface interaction in micro scale is flow potential. Wood structural materials naturally have oriented micro channels, which can suck water into the channels by capillary force. By chemically modifying these channels, the evaporation energy of water can be converted into electric energy by using the principle o f streaming potential. In this paper, through the design o f new microelectronic devices, students’academic vision is expanded, their understanding of interdisciplinary applications is enriched, and their ability to actively find and solve problems is cultivated.
Key w ords: wood; evaporation; flow potential; experimental teaching; hydrovoltaic
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 广大科研工作者加人研究，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，将碳黑样品部分插人去离子水中，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
收稿日期：2020-07-28
基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 21603026 )
作者简介：张文密（1986—），男，天津，博士，讲师，研究方向为新能源材料与器件，*******************.cn:
引文格式：张文峦.水蒸发驱动木头发电机制备与表征实验设计[J].实验技术与管理,2021，38(4): 52-56.
Cite this article: ZHANG W L. Experimental design of preparation and characterization of water evaporation driven wood electricity generator[J], Experimental Technology and Management, 2021, 38(4): 52-56. (in Chinese)
张文峦：水蒸发驱动木头发电机制备y表征实验设计53
的碳黑薄膜中持续产生可达1V的电压
基于本团队的前期丁.作，本实验利用天然木材，制备水蒸发驱动发电机[1〜。

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丁.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：梓檬酸（citric acid,C A),二.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（Synergy UV )3
主要设备：鼓风干燥箱（DHG-9053A,上海一恒 科技冇限公司），场发射扫描电子显微镜（SEM,Quanta 250, FEI公司），纳米粒度分析仪（Zetasizer Nano ZSE, Malvern),接角虫角仪（Data Physics OCA35)，数字万 用表（Keithley2400)。

1.2 PET网格电极的制备
将PET塑料网在乙醇中清洗10 min,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 °C下加热2 h,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5 cm><5cmxl c m的小块，用丙酮 洗涤15 min,置于通风橱中挥发3 h将干燥的木头 块浸人装有200 m L柠檬酸和10 m L三乙胺混合物的 500 m L烧杯中浸泡2 h后，将样品从液体中取出，在120 °C的干燥箱中加热4 h,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PE T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 °C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100 f1。

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K度分布
Z e ta电位：使用少量木屑在25 °C下使用粒度分 析仪测试
木头表面接触角测量：使川4 n L的水滴在接触 角仪上测M木材的水接触角，由于木材本身的多孔性 和亲水性，水滴会最终渗人木材所以在实际操作中，只记录了水滴接触木材表面5 s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 进人实验室进行操作：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「.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。

流动电势的理论推导表 达式为
F s=£^(,)
流动电流为
A a V L = ^sI A P l{2)
/n l
其中：/和J分别为孔道长度和截面面积；（为zeta 电位，代表了双电层中扩散层相对于本体溶液的电势 差；^)、&、/0、(7则分别为真空介电常数、液体相对 介电常数、液体黏度和液体的离子电导率；AP为施加 在孔道两端的压力差。

从以上两式可发现，&与AF 呈正比关系，与 <的绝对值也成正比关系。

由于毛细管截面积J= ju/2/4,其中d为毛细管 直径，因此当将毛细管垂直插入水中时，毛细管两端 的毛细压力差可表示为AP= 4/cos(9/r f,是水对于 毛细管的接触角，X是水的表面能，将这个表达式代人到式（丨）和1：2 ),得到
4e0e r rt；c o s d
Gjud
’s :
_ n/d£0e r C COS6^ ]根据式（3)和（4),可以通过增加材料的亲水
54
实验技术与管理
性来提高电压与电流，即减小接触角。

木头作为一个 理想的蒸发驱动发电器件，可以看作是可测长度的连 续孔道的大量集合[15]。

同时，组成木头的主要成分 纤维素易于被化学修饰，能够带上不同种类的电荷 并且可以进行定量分析。

如图丨(a )所示，木头提供了 大量的可用作收集流动电势能量的定向排列的孔道。

图1(b )则展示了木头发电机的测试装置，只需用橡皮 筋固定网格电极，使用万用表和装有水的培养皿即可 进行测试。

0 5
10 15 20
25
孔道直径/nm
(c)榉木生长方向截面电镜图
（d )孔道尺度分布
图2木头结构表征图
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2.2 ^iA 短路电流和35 m V 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z e t a 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。

如图3所示，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z e t a 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， 如图4(a )所示，开路电压可以稳定在300 m V 左右。

用塑料膜将器件密封起来，可以观察到电压信号经过 2 h 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0.5 h 内缓慢恢复到原来 的300 m V 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。

当将4个木头发电机串联起来时，可以得到接近1.2 V 的开路电压，如图4(b )所示。

可以将它们当作一 个电源，为一些微型电子设备供电使其工作，比如微 型计算器，因为其所需电压只需要1V 左右。

表1中
(a )榉木的垂直于生长方向
（b )榉木孔道的放大图
的截面电镜图
1 〜…1‘ s 5sW i —— i s
(a )利用木材结构中的定向排列孔道构造流动电势
(b)水蒸发驱动木头发电机的测试，开路电压为0.3 V
图1流动电势的产生与测试
2.2木头结构表征
图2(a )为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。

图2(b )为孔道壁的局部放大图，有很多小于10 pm 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。

图2(c )为榉木生长方向的
S E M 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10 Mm 左右， 如图2(d )所示。

)®l
s ® ®
+ + + +
/1
4
张文峦：水蒸发驱动木头发电机制济y 衣征实验设计
55
⑷纤维素化学式和打橡酸1 j 木头的化反应路线
计算器，进行一些简单的计算器功能的演示。

以上就 是本实验的主体部分，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
別，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3
3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 利川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
-50
-25
(b >柠懞酸修饰后的榉木
:修饰的影响
纤维素
〈O H
H O 〇H
O H
H O
〇"
3. 〇H
r 0H
HOOC
HOOC
OH OH OH
^■
1
、V 〇妙'、奶
OH
i f e .
— COOH
HO X-CO O H
OH
o ^J
OH
H O O C \ /f-v/COOH
COOH
抒檬酸酸酐
、• •
•
中
C O O ll
zeta 电位/mV
(c)榉木的水接触角变小（5 s 时的图像)
图3
柠檬酸0
12
3 4 5
时间/h
(a>木头发电机的电压信号
（b) 4个木头发电机串联
以及密封环境的影响
图4
木头发电机测试
表1
水蒸发驱动木头发电机的串并联特征
单个器件
4个器件串联4个器件并联开路电压/V 0.3 ±0.01 1.18 + 0.190.29 士 0.01短路电流/M A 10±0.15
10±0.52
39±5.2
总结丫木头发电机的电信号参数以及串并联特征。

表 格中的标准误差值由在相同条件下测量4个不同器件 得到，置信区间95%。

可以观察到，单个器件可以得 到300 m
V
电压，10^A 电流。

当串联起4个器件时，
电流变化不大，电压几乎增加为单个器件的4倍。

而 当并联4个器件时，情况则相反。

这符合欧姆定律和 一般串并联电路特点。

这样一来，利用串联起的木头 发电机，就可以为一些微型电子器件供电，比如微型
赵—4
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00500(5(005( 3 3 2 2 1 1
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56实验技术与符理
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_
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(上接第51页）
(3)本项实验的设计、构思、执行、实施及分析
过程符合科学研究的基本方法，培养了学生的科研素
养和思维能力，达到了科研育人目标:
(4 )本项实验紧扣土木工程学科和材料科学的前
沿问题，提高了学习兴趣，并且如期完成了国家级大
学生创新创业项目。

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