【单电极水滴发电机（SE-DEG）的工作原理分析概述2200字】

单电极水滴发电机（SE-DEG）的工作原理分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u16805单电极水滴发电机（SE-DEG）的工作原理分析概述 165611.1疏水表面 1168391.2SE-DEG的结构构造 2138121.3SE-DEG的工作机理 2237411.4SE-DEG的电路分析 41.1疏水表面疏水性表面是指水在疏水性表面时会形成一个很大的接触角而成水滴状，从而能够快速的滑过并摩擦起电，固体表面的疏水性是改善固液之间相互作用和摩擦生电的关键参数，有研究表明，荷叶型的超疏水表面已被用于制作摩擦力更高的固体摩擦电材料，它具有自清洁的作用[3][5]。疏水表面确保了连续液滴撞击表面时候液固界面能够发生更新。在此介绍两种材料是疏水性表面，他们的接触角如图2-1所示，第一种是聚四氟乙烯薄膜(PTFE)，PTFE薄膜呈白色状，不与酸或碱发生反应，具有稳定存储电荷的能力，当水滴滴在PTFE薄膜上，PTFE薄膜的表面电荷逐渐增加，直至饱和。当水滴滴落在PTFE表面时，平均接触角约为95°，具有>90°所呈现的疏水性。第二种为天然石头表面，需要注意的是石头表面需要进行预处理，也就是经过喷雾(NeverWet)处理，等溶剂蒸发。预处理的石头表面平均接触角约为133.5°，接近超疏水表面。两者兼具的疏水特性成为SE-DEG选择表面材料的关键。图2－1PTFE表面（左）和石头表面（右）的疏水性Figure2-1ThehydrophobicityofPTFE(left)andstonesurfaces(right)1.2SE-DEG的结构构造SE-DEG的设计如图2-1所示，该装置由电极和固体表面组成，在将单个电极布置在疏水表面上之后，当液滴撞击表面并接触电极时，电极与地面之间即输出电能。水滴水滴VV电极表面图2－2单电极水滴发电机的结构示意图Figure2-2ThestructuralrepresentationofSE-DEG单个电极在介电材料顶部，可以有效利用产生的摩擦电荷，而无需经过静电感应。为了保证固液界面可以实时更新，一般选择具有疏水性的表面，值得注意的是在实际测量中在不同表面上构建的SE-DEG都能很好的输出电能，说明了SE-DEG的水能收集将不受固体表面材料的限制，本文中选用的代表性表面是聚四氟乙烯薄膜和石头表面，分别代表了规则平面和不规则平面，人造平面和天然平面，方便后文对SE-DEG的水能收集的普遍性进行讨论。当水滴和PTFE表面接触后，水滴能轻易的摆脱PTFE平面，随着水滴不断滴落在PTFE表面，液固界面不断进行刷新，SE-DEG就能不断的进行发电。对于石头表面，经过预处理后的石头获得超疏水表面同时使表面带上正电，为超疏水表面。在实际的设备制造过程中，选择了固体表面材料后，再将铝电极布置在上述材料的表面，通过铝电极和接地之间搭接外部测量设备，当水滴滴落在固体表面，摩擦与铝电极进行接触，就能测出SE-DEG的输出特性。1.3SE-DEG的工作机理SE-DEG的工作机理如图2-3，2-4所示，接下来进行进一步阐述。根据失去或获得电子的趋势，将固体表面分为带正电和带负电，输出特性也将根据固体表面的得失电子特性而产生区别。值得注意的是，在实验进行之前，所有表面电荷都已经通过静电枪进行了中和，表面近似不带电。随着液滴滴落与固体表面摩擦，不断向固体表面注入电荷，直至固体表面电荷饱和，SE-DEG输出趋于稳定。为了保证实验结果不受液滴中存在的酸碱离子干扰，本次实验使用的是去离子水，且液滴在空气中下落所夹带的微弱带电荷量可忽略。以带负电的固体表面(PTFE)为例，当下落的水滴散布在带负电的表面上时，未接触单电极时，整个电路处于断开状态，液滴与表面相摩擦，水滴在表面注入了负电荷，自身携带正电荷，此时并没有输出到外部电压表（图2-3b）。当铺展的水滴接触到了单电极，水滴就会将最初断开的固体表面和电极桥连在一起。在极化电极的影响下，正负电荷分别向固体表面和单电极方向流动。单电极与地之间的电位平衡被打破，接地的正电荷自发地流向单电极，单电极和地之间有电流输出（图2-3c）。当液滴离开单电极和固体表面时，单电极上的正电荷流回地面，同时固体表面的部分电荷也会逃逸或被空气中的电荷中和（图2-3d）。当下一滴水落下时，重复发电过程。与传统的TENG相比，SE-DEG的电极布置巧妙地收集了电极与固体表面的摩擦电荷，不存在双电极TENG中底部电极与表面之间的静电感应，单电极的设置使电荷通过体积效应转移，打破了液固界面上存在的屏蔽效应。对于带正电的表面，本文中主要讨论石头表面，发电过程与带负电的过程相似，在摩擦过程中，水滴将正电荷注入表面，当液滴将最初断开的固体表面和单个电极桥连在一起，负电荷在电势差下自发流向单电极，转移和感应的全部电荷与带负电荷的表面情况完全相反。+-++++++++V-+++-++++++++V-+++--V+--Va.b.+--+/++++--+/++++-e-+++--+++++-e-+++--++++VVVVd.c.图2－3SE-DEG的工作机理（PTFE表面）Figure2-3TheworkingmechanismofSE-DEG(PTFE)+-+-+++V+++V++++++++++++++V++++++++++++++Va.b.++--++--++e-++e-+++++++++++++++-VV+++++++++++++++-VVd.c.图2－4SE-DEG的工作机理（石头表面）Figure2-4TheworkingmechanismofSE-DEG(stones)1.4SE-DEG的电路分析从电路角度分析SE-DEG，提出如图2-5所示等效电路模型。将水滴充当一个电阻，SE-DEG会形成双电层(EDL),双电层使指围绕对象的两个平行电荷层，第一层表面电荷是由于两种材料之间进行化学作用而吸附到固体表面上的离子而形成的，第二层是自由离子组成的[7]。在SE-DEG的发电过程中，当水滴撞击固体表面而不接触电极时，整个电路处于断开的状态，在液固界面形成EDL，此时的电容用C1表示，当水滴接触电极时，将整个电路连接起来，产生一个新的EDL电容C2。在电路中显示为C1和C2串联，与断开时电容相比，连接后整个电路的等效电容将大大降低。1C2是瞬时接触时产生的电容，设定S2为水滴与电极接触的瞬时面积，S1为水滴最大铺展面积(S1≫S2)。d为EDL厚度。因此，C近似于小C2。输出电压的计算公式转变如下：V=其中Q是液固界面处的感应电荷，σ是固体表面电荷密度。计算得液滴未接触到单电极时候，电容为C≈C1=液滴接触到单电极后电容为C≈C2=RLRLRwC1AC2,S2C1,S1++++++++-++