专利摘要

本发明公开了一种盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置及其制备与应用，该纳流体发电装置包括纳米沟道，以及分别位于该纳米沟道两端、且与该纳米沟道相连通的第一液体沟道与第二液体沟道；其中，第一液体沟道用于容纳第一液体；第二液体沟道用于容纳第二液体；纳米沟道用于利用第一液体与第二液体两者之间的盐浓度差异将化学势能转化为电能，并通过第一电极与第二电极配合输出电能。本发明基于将盐浓度差异的化学势能转化为电能的具体能量转换原理，通过对纳流体发电装置内关键的纳米沟道以及与该纳米沟道配合作用的其他结构进行改进，可实现利用盐浓度梯度驱动发电，尤其可利用海水‑淡水盐浓度实现发电。

权利要求

1.一种纳流体发电装置，其特征在于，包括纳米沟道、以及分别位于该纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道，所述纳米沟道、所述第一液体沟道与所述第二液体沟道均位于基底上，所述基底为SiO2基底或氧化铝基底，所述第一液体沟道与所述第二液体沟道两者通过该纳米沟道相连通；其中，

所述第一液体沟道用于容纳第一液体，并且与第一电极相连；

所述第二液体沟道用于容纳第二液体，并且与第二电极相连；

所述纳米沟道用于利用所述第一液体与所述第二液体两者之间的盐浓度差异将化学势能转化为电能，并通过所述第一电极与所述第二电极配合输出电能；

并且，所述纳米沟道的宽度为1-400nm，长度为400-1000nm，深度为1-40nm；

所述第一液体沟道具体包括第一微米沟道，以及通过该第一微米沟道相连的至少2个储液池；所述第一微米沟道的深度为1-100um，宽度为1-100um，长度为1-3mm；

所述第二液体沟道具体包括第二微米沟道，以及通过该第二微米沟道相连的至少2个储液池；所述第二微米沟道深度为1-100um，宽度为1-100um，长度为1-3mm。

2.如权利要求1所述纳流体发电装置，其特征在于，所述第一电极为1个，这个第一电极设置在与所述第一微米沟道相连的一个储液池内；

所述第二电极为1个，这个第二电极设置在与所述第二微米沟道相连的一个储液池内。

3.如权利要求2所述纳流体发电装置，其特征在于，所述储液池共计4个，分别位于所述基底上表面的四个角。

4.制备如权利要求1－3任意一项所述纳流体发电装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在SiO2基底上利用微纳电子工艺加工得到纳米沟道，该微纳电子工艺具体包括电子束曝光、显影、等离子体刻蚀、以及后显影；并且，在加工得到的纳米沟道的两端还分别留有至少2毫米的待加工区域，用于制备第一液体沟道与第二液体沟道；

(2)利用紫外光刻机进行套刻制备分别位于纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道，具体操作为：旋涂负性光刻胶，然后在紫外光刻机中对纳米沟道进行对准，套刻曝光，接着使用对应显影液进行显影，等离子体刻蚀，以及后显影，从而完成纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道的制备以及配准；

(3)对加工好纳米沟道、第一液体沟道与第二液体沟道的SiO2基底进行PDMS封装，PDMS通过氧等离子体处理与SiO2基底键合。

5.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，具体是将在与储液池相对应的位置设置有小孔的PDMS板，通过氧等离子体处理激活，然后在显微镜下将该PDMS板对准密封在具有纳米通道、第一液体沟道与第二液体沟道的硅基底上，键合后完成纳流体芯片制备；键合后，PDMS板上的小孔与硅基底上的储液池在硅基底表面所在平面上的投影相重合。

6.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述PDMS板的厚度为500μm，小孔的直径为2mm。

7.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤：

(4)向纳流体芯片的第一液体沟道和第二液体沟道内分别注入第一液体和第二液体，所述第一液体与所述第二液体两者之间具有盐浓度差异，并将第一电极与第一液体沟道相连，第二电极与第二液体沟道相连。

8.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述第一液体为海水，所述第二液体为淡水。

9.如权利要求1－3任意一项所述纳流体发电装置的应用方法，其特征在于，该方法具体是向纳流体发电装置的第一液体沟道和第二液体沟道内分别注入第一液体和第二液体，纳米沟道利用所述第一液体与所述第二液体两者之间具有的盐浓度差异，将化学势能转化为电能，该电能通过第一电极与第二电极配合输出。

10.如权利要求9所述应用方法，其特征在于，所述第一液体为海水，所述第二液体为淡水。

说明书

技术领域

本发明属于纳流控发电机领域，更具体地，涉及一种盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置及其制备与应用，例如海水-淡水盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置，具体通过微纳工艺制备出纳米级深度、宽度、长度的沟道，并通过在储液池施加盐浓度进行发电。

背景技术

纳米沟道是指至少有一维尺寸在纳米级的微小沟道，其在纳流体研究领域具有许多优势。由于与流体接触后的固液反应，纳米沟道壁面会带电(以SiO2为例：带负电)，而纳米沟道的尺寸在纳米级，由于表面效应导致的离子选择性强，因而可以用以收集浓度差中的化学势能转化成电能。由于纳米沟道的制备是平面刻蚀，具备大规模制备的条件，且与CMOS兼容，外部电路并接容易，可广泛应用于微纳设备自供电，如纳米机电系统、微型传感器、可穿戴柔性电子设备等等。这类新兴的纳米尺度器件与设备通常是在极低的工作电压与极低的功耗下工作，与之匹配的就要求纳米尺度的发电装置-纳流体发电装置。

目前纳流体发电装置主要存在着下面的缺陷：1.利用有机薄膜刻蚀的纳米孔可以得到高达2.6*103W/m2的功率密度，但是处在电解质中薄膜有膨胀和收缩的问题，影响器件稳定性。2.基于标准的半导体制造工艺制备的与CMOS兼容的纳米沟道发电装置的输出功率密度仅有7.7W/m2。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置及其制备与应用，基于将盐浓度差异的化学势能转化为电能的具体能量转换原理，通过对纳流体发电装置内关键的纳米沟道(尤其是纳米沟道的具体形貌等)以及与该纳米沟道配合作用的其他结构(如第一液体沟道与第二液体沟道)进行改进，可实现利用盐浓度梯度驱动发电，尤其可利用海水-淡水盐浓度实现发电；并且，本发明还通过对制备方法所对应的整体工艺流程设计进行改进，并对器件参数(如纳米沟道的深度、宽度、长度，尤其是纳米沟道的深度、长度)进行优选控制，可实现高精度控制的纳米沟道等结构以及发电的高性能，工艺手段对装置样本的损伤小、污染小、制备效率高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种纳流体发电装置，其特征在于，包括纳米沟道、以及分别位于该纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道，所述纳米沟道、所述第一液体沟道与所述第二液体沟道均位于基底上，所述第一液体沟道与所述第二液体沟道两者通过该纳米沟道相连通；其中，

所述第一液体沟道用于容纳第一液体，并且与第一电极相连；

所述第二液体沟道用于容纳第二液体，并且与第二电极相连；

所述纳米沟道用于利用所述第一液体与所述第二液体两者之间的盐浓度差异将化学势能转化为电能，并通过所述第一电极与所述第二电极配合输出电能。

作为本发明的进一步优选，所述纳米沟道的深度为1-100nm，宽度为1-400nm，长度为400-1000nm；优选的，所述深度为1-40nm。

作为本发明的进一步优选，所述第一液体沟道具体包括第一微米沟道，以及通过该第一微米沟道相连的至少2个储液池；所述第一微米沟道的深度为1-100um，宽度为1-100um，长度为1-3mm；

所述第二液体沟道具体包括第二微米沟道，以及通过该第二微米沟道相连的至少2个储液池；所述第二微米沟道的深度为1-100um，宽度为1-100um，长度为1-3mm。

作为本发明的进一步优选，所述第一电极为1个，这个第一电极设置在与所述第一微米沟道相连的一个储液池内；

所述第二电极为1个，这个第二电极设置在与所述第二微米沟道相连的一个储液池内。

作为本发明的进一步优选，所述储液池共计4个，分别位于所述基底上表面的四个角。

作为本发明的进一步优选，所述基底为SiO2基底或者Al2O3基底。

按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述纳流体发电装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在SiO2基底上利用微纳电子工艺加工得到纳米沟道，该微纳电子工艺具体包括电子束曝光、显影、等离子体刻蚀、以及后显影；并且，在加工得到的纳米沟道的两端还分别留有至少2毫米的待加工区域，用于制备第一液体沟道与第二液体沟道；

(2)利用紫外光刻机进行套刻制备分别位于纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道，具体操作为：旋涂负性光刻胶，然后在紫外光刻机中对纳米沟道进行对准，套刻曝光，接着使用对应显影液进行显影，等离子体刻蚀，以及后显影，从而完成纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道的制备以及配准；

(3)对加工好纳米沟道、第一液体沟道与第二液体沟道的SiO2基底进行PDMS封装，PDMS通过氧等离子体处理与SiO2基底键合。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，具体是将在与储液池相对应的位置设置有小孔的PDMS板，通过氧等离子体处理激活，然后在显微镜下将该PDMS板对准密封在具有纳米通道、第一液体沟道与第二液体沟道的硅基底上，键合后完成纳流体芯片制备；键合后，PDMS板上的小孔与硅基底上的储液池在硅基底表面所在平面上的投影相重合；

优选的，所述PDMS板的厚度为500μm，小孔的直径为2mm。

作为本发明的进一步优选，所述制备方法还包括步骤：

(4)向纳流体芯片的第一液体沟道和第二液体沟道内分别注入第一液体和第二液体，所述第一液体与所述第二液体两者之间具有盐浓度差异，并将第一电极与第一液体沟道相连，第二电极与第二液体沟道相连；

优选的，所述第一液体为海水，所述第二液体为淡水。

按照本发明的又一方面，本发明提供了上述纳流体发电装置的应用方法，其特征在于，该方法具体是向纳流体发电装置的第一液体沟道和第二液体沟道内分别注入第一液体和第二液体，纳米沟道利用所述第一液体与所述第二液体两者之间具有的盐浓度差异，将化学势能转化为电能，该电能通过第一电极与第二电极配合输出。

作为本发明的进一步优选，所述第一液体为海水，所述第二液体为淡水。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明制备的纳流体发电装置，使用标准微电子以及电子束曝光等工艺制备得到纳米沟道，接着再套刻制备纳米沟道两端的第一液体沟道与第二液体沟道的制备以及配准腔室，制得装置的发电功率密度提高了两个量级。由于设计加工出宽度、深度和长度任意一项为纳米级的纳米沟道(尤其是深度为纳米级的纳米沟道；本发明中的纳米沟道其定义，与现有技术一致，只要有一个维度的尺寸在纳米级即可)，该纳米沟道优选与带有储液池、微米沟道的第一/第二液体沟道相连。通过在沟道入口和出口的储液池注入不同浓度的盐溶液，由于化学势能可驱动沟道内离子运动，而由于纳米沟道的表面电荷导致更多的异性离子沟道形成净电流以及沟道两端的电压，进而可以利用净电流以及电压对外输出电能。

本发明通过将纳米沟道的形状参数优选控制为深度1-100nm,宽度1-400nm，长度为400-1000nm(尤其是将深度控制为1-100nm，更优选的控制为1-40nm)，能够取得更佳发电效果。并且，这一特定优选形状参数的纳米沟道，尤其适用于浓度之比大于等于1000/1的第一/第二液体。利用该沟道本发明尤其可以实现对海水-淡水进行能量转化及特性测试。

并且，本发明还通过优选设计深度不同于纳米沟道的微米沟道，利用微米沟道连通储液池，能够防止PDMS在纳米沟道的塌陷。为了构建稳定的、防塌陷的纳米沟道器件(PDMS软体材料，容易塌陷从而堵住纳米沟道)，本发明设计了第一微米沟道和第二微米沟道(第一微米沟道和第二微米沟道可以分别位于纳米沟道两侧)，并优选将第一微米沟道、第二微米沟道控制为深度为1-100um，宽度为1-100um，长度为1-3mm，微米沟道所占面积小，旁边的基底可以支撑整体PDMS不塌陷，且微米沟道对纳米沟道的离子输运性能影响很小，非常适用。

近年来基于扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)的电子束曝光(Electron Beam Lithography,EBL)技术成为纳米加工的有力工具。根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波。这样，电子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米结构提供了很有用的工具。利用EBL的高精密度可以在样本上加工出多种形式的纳米凹槽、沟道等纳米结构。本发明还通过对制备方法所对应的整体工艺流程设计进行改进，与器件参数的改进进一步综合作用，可实现高精度控制的纳米沟道等结构以及发电的高性能，工艺手段对装置样本的损伤小、污染小、制备效率高。

具体说来，本发明具有以下有益效果：

1)本发明中由盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置，其能量尤其可以来源于海水-淡水的化学势能差，是清洁、可再生的能源。

2)通过在已优化长度的纳米沟道两端的储液池注入不同浓度的盐溶液，可以实现最高705W/m2的输出功率密度(当两端为1M/1mM KCl溶液时)，这对微纳器件的供电来说意义重大。

3)本纳流体装置与CMOS工艺兼容，外接电路简单，便于大规模集成。

附图说明

图1是本发明的纳流体发电装置的结构图。

图2中，a是微纳工艺加工的微米沟道、纳米沟道的SEM扫描图，b是纳米沟道部分的SEM扫描图。

图3是使用半导体测试仪B1500A测试本发明的发电性能的电流-电压特性图。

图4针对所制备的器件的发电性能测试图，纳米沟道两边储液池的盐浓度比与(a)开路电压、(b)短路电流、(b)输出功率密度(输出功率/纳米沟道横截面)的关系图。该器件中纳米沟道长度为715nm,宽度为350nm,深度为40nm。高浓度端为1Mol/L的KCl溶液，低浓度端依次从10-4Mol/L调整到1Mol/L的KCl溶液。

图中各附图标记的含义如下：0为硅片，1为纳米沟道，2为微米沟道，3为储液池，4为Ag/AgCl掺比电极，5为聚二甲基硅氧烷(PDMS)板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

本发明中纳流体发电装置，左右两端设置储液池，左右两个储液池连有微米沟道连通，所述两个微米沟道之间设置纳米沟道，利用微纳电子工艺加工出连通微米沟道的纳米沟道。

该装置尤其是一种可利用海水-淡水盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置。在装置的左边储液池施加海水，右边储液池施加淡水，由于纳米沟道的离子选择性，更多的阳离子通过沟道产生电流。通过储液池的电极可检测装置的发电电压、电流。该纳流体发电装置可广泛应用于各类微纳装置的供电。

该纳流体发电装置可以采用包括以下步骤的加工方法：

1)纳米沟道的制备：如图1所示，设计加工出纳流体发电装置的纳米沟道1，纳米沟道是在硅片0上由微纳电子工艺(Micro-nano electronic technology)加工完成，包括电子束曝光、显影、ICP刻蚀，后显影，制备出深度为1-40nm,宽度为1-400nm，长度为400-1000nm的SiO2沟道(市售商业硅片的上表面存在SiO2层，当然也可以直接采用纯SiO2基底替代硅片；以硅片为代表的SiO2基底能够与CMOS工艺兼容，便于后续制备工艺处理)。所述纳米沟道两端留有2毫米待加工区域，用于制备微米沟道以及储液池；

单个储液池的形状参数可以采用如下设置：直径为2mm深度为1mm的圆柱；

2)微米沟道与储液池的制备：利用紫外光刻机(MJB4)进行套刻制备纳米沟道两端的微米沟道2以及储液池3加工，具体操作为：旋涂负性光刻胶，然后用MJB4紫外光刻机中对纳米沟道进行对准，套刻曝光，接着使用专用显影液进行显影，完成纳米沟道两端的微米沟道的制备以及配准；装置四角的储液池的制备；

3)装置的封装与注液：制备了一个带有4个直径为2mm孔的500μm厚的聚二甲基硅氧烷(PDMS)板5，然后在显微镜下将PDMS对准密封在纳米通道芯片上(孔与储液池对准连接)，完成纳流体芯片制备。然后向位于纳米沟道两端的两个孔分别注入海水与淡水，另外两个孔插入Ag/AgCl电极4向外输出电能(插入电极的两个孔中也可以分别对应注入有海水或淡水，便于测量、并减少噪声)。利用带有4个直径为2mm孔的500μm厚的聚二甲基硅氧烷(PDMS)板对SiO2基底进行封装，可以降低电流测量过程中的噪声。

通过在装置的向位于纳米沟道两端的两个孔施加海水与淡水形成浓度差，更多的阳离子由于沟道的离子选择性通过纳米沟道时，产生净电流与电压，向另外两个孔插入Ag/AgCl电极向外输出电能。

该纳流体发电装置的发电性能的测试方法：向位于纳米沟道两端的两个孔注入不同浓度的KCl溶液形成浓度差，同时在另外两个孔的电极上施加一个小电压并测量电流信号。当电流为零时，电极施加的电压为发电装置的发电电压，电极施加的电压为零时，测得的电流为发电装置的发电电流。电流-电压特性测试结果如图3所示。实际发电功率如图4所示，横坐标表示纳米沟道两边储液池的盐浓度比，纵坐标是输出功率密度(输出功率/纳米沟道横截面)。

除图1所示的储液池四角设置外(图1所示为在纳米沟道两侧采用微米沟道连通储液池)，储液池的设置位置也可以灵活调整，例如，一个角两个、另一个角两个。除上述实施例中所描述的具体设置外，电极的数量也可以增加，例如与同一微米沟道相连的电极可以是多个，储液池的数量也可以相应增加；储液池的数量也可以单独增加，例如在微米沟道中间再增设储液池等。另外，除了不同溶液的KCl溶液、海水-淡水外，本发明也适用于其他具有盐浓度差异的溶液，如其他具有浓度差异的强酸强碱盐溶液等。另外，除了上述实施例中所采用的硅衬底(对应SiO2基底)外，本发明还可以采用氧化铝基底；本发明所采用的等离子体刻蚀，具体可以是感应耦合等离子体刻蚀(Inductively CoupledPlasma Etch，ICPE)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种盐浓度梯度驱动的纳流体发电装置及其制备与应用专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。