阅读说明：本技术 超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用及装置 (Application and device of ultrathin silicon nitride nano-pore membrane in reverse electrodialysis power generation ) 是由 马建 曾庆钰 赵佳斌 倪中华 陈云飞 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用及装置。在反向电渗析发电过程中,采用高浓度盐溶液与低浓度盐溶液形成浓度差,利用氮化硅纳米孔膜阳离子选择性,高浓度盐溶液中的阳离子通过氮化硅纳米孔膜上的纳米孔迁移入低浓度盐溶液,阳离子定向移动形成内电流；高浓度盐溶液中剩余的阴离子在阳极电极表面富集,阳极电极与阴离子发生氧化反应失去电子,电子通过外电路流向低浓度盐溶液侧的阴极电极,阴极电极得到电子发生还原反应,形成回路。本发明从超薄氮化硅纳米孔膜的离子选择性能、机械性能和加工难度这三个方面选择了氮化硅薄膜厚度及孔径,应用在反向电渗析发电中可以获得较高的发电效率。(The invention discloses an application of an ultrathin silicon nitride nano-pore membrane in reverse electrodialysis power generation and a device thereof. In the reverse electrodialysis power generation process, a concentration difference is formed by adopting a high-concentration salt solution and a low-concentration salt solution, cations in the high-concentration salt solution migrate into the low-concentration salt solution through the nano holes in the silicon nitride nano hole film by utilizing the cation selectivity of the silicon nitride nano hole film, and the cations move directionally to form internal current; the residual anions in the high-concentration salt solution are enriched on the surface of the anode electrode, the anode electrode and the anions are subjected to oxidation reaction to lose electrons, the electrons flow to the cathode electrode on the low-concentration salt solution side through an external circuit, and the electrons obtained by the cathode electrode are subjected to reduction reaction to form a loop. The invention selects the thickness and the aperture of the silicon nitride film from the ion selection performance, the mechanical performance and the processing difficulty of the ultrathin silicon nitride nano-pore film, and can obtain higher power generation efficiency when applied to reverse electrodialysis power generation.)

超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用及装置

技术领域：

本发明涉及利用反向电渗析发电技术领域，具体涉及一种超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用及装置。

背景技术：

随着社会的发展，人们对于能源的需求量日益增大。自第三次工业革命以来，电能作为一种实用、经济、清洁且易控制和转换的能源形态被广泛应用在人类生活生产的各个方面。目前主要的发电方式是火力发电和水利发电。前者需要消耗不可再生资源且污染环境，后者工程量大且影响当地流域的生态环境。因此探索一种高效、环保和易控制的发电方式非常符合能源发展的趋势。反向电渗析发电技术作为一种正在被积极研究的新型发电技术，利用离子选择透过性薄膜两侧的高浓度盐溶液中的离子向低浓度盐溶液的扩散作用进行发电。已有的研究表明盐差能的开发潜力巨大，理论上全球范围内河流入海口处每年可以输出15102-27664TWh的电能。

离子选择透过性薄膜是反向电渗析发电的核心部件，其化学性质和物理性能很大程度上决定了发电的功率和效率。目前市面上有大量的商业薄膜可以用于反向电渗析发电，但大部分薄膜的厚度和孔隙尺寸都在微米级别，发电效率受限于物理尺寸。随着纳米技术的发展，我们有必要探索一种厚度和孔隙尺寸都在纳米级别的薄膜应用到反电渗析发电的过程中。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出一种超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用及装置，该发明可以在改善发电系统耐酸碱性能力的同时提高反向电渗析发电技术的发电功率密度。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用。

所述超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用，所述氮化硅纳米孔膜的厚度为5-20nm，所述超薄氮化硅纳米孔膜的孔径为20-100nm。

所述超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用，所述氮化硅纳米孔膜的制作方法是：首先将一块厚度为300μm的硅圆晶进行双面抛光；通过低压化学气相沉积的方法在硅圆晶的表面沉积100nm厚的氮化硅薄膜；再用四甲基氢氧化氨定向腐蚀，在硅圆晶基底上腐蚀一个100×100μm窗口，这样就形成了自支撑的氮化硅薄膜。然后利用聚焦离子束在自支撑氮化硅薄膜上进行减薄，减薄区域为1-5μm圆形，减薄区域厚度可以控制在5-20nm以内，最后利用聚焦离子束在减薄区域溅射加工孔径为20-100nm纳米孔结构，这与传统商业离子交换薄膜相比，大大缩减了离子交换薄膜的厚度，将大幅度提升反电渗析发电功率。

所述超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用，在反向电渗析发电过程中，采用高浓度盐溶液与低浓度盐溶液之间浓度差形成浓度差，利用氮化硅纳米孔膜阳离子选择性，高浓度盐溶液中的阳离子通过氮化硅纳米孔膜上的纳米孔迁移入低浓度盐溶液，阳离子定向移动形成内电流；高浓度盐溶液中剩余的阴离子在阳极电极表面富集，阳极电极与阴离子发生氧化反应失去电子，电子通过外电路流向低浓度盐溶液侧的阴极电极，阴极电极得到电子发生还原反应，形成回路。

所述超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用，所述高浓度盐溶液与所述低浓度盐溶液采用同种类的盐，且所述高浓度盐溶液与所述低浓度盐溶液的摩尔浓度比为10-10000。。

所述超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用，所述高浓度盐溶液采用1mol/L的氯化钾溶液，所述低浓度盐溶液采用0.1mol/L-10^-4mol/L的氯化钾盐溶液。

所述超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用，在反向电渗析发电过程中的电极采用银/氯化银电极。

一种超薄氮化硅纳米孔膜用于反向电渗析发电的装置，该装置包括用于盛放盐溶液的容器，所述容器中通过氮化硅纳米孔膜将其分为两个腔体，其中一个腔体里面装有高浓度盐溶液，另一个腔体里面装有低浓度盐溶液，所述高浓度盐溶液中施加阳极电极，所述低浓度盐溶液中施加阴极电极，所述阳极电极和所述阴极电极分别通过导线连接负载，形成反电渗析盐差能发电系统。所述的氮化硅纳米孔膜用于反向电渗析发电的装置，所述高浓度盐溶液与所述低浓度盐溶液采用同种类的盐，且所述高浓度盐溶液与所述低浓度盐溶液的摩尔浓度比为10-10000。所述的氮化硅纳米孔膜用于反向电渗析发电的装置，所述阳极电极和所述阴极电极采用银/氯化银电极。

有益效果：

本发明提供了一种氮化硅纳米孔在反向电渗析发电中的应用，该氮化硅薄膜具有良好的耐腐蚀性能可以拓宽本发明的酸碱性适用范围。同时本发明从阳离子选择性能、机械性能和加工难度这三个方面选择了氮化硅薄膜厚度及孔径，应用在反向电渗析发电中可以获得较高的发电效率；另一方面，利用聚焦离子束加工技术可以在氮化硅薄膜上加工阵列纳米孔，可以组成反电渗析纳米孔电池的并联电路，获得较高的发电效率，在反向电渗析发电领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的超薄氮化硅薄膜的加工过程示意图。

图2为本发明的超薄氮化硅纳米孔膜用于反向电渗析发电的装置示意图。

图3为本发明中氮化硅纳米孔扫描电子显微镜照片。

图4为实施例中的发电方法得到的I-V曲线。

图5为实施例中的发电方法得到发电功率密度与盐浓度差的关系图。

图6为实施例中的发电方法得到发电功率密度与纳米孔孔径大小的关系图。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明，下面结合优选实例和附图对本发明做进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例所述超薄氮化硅纳米孔膜的制作方法是：首先将一块厚度为300μm的硅圆晶进行双面抛光；通过低压化学气相沉积的方法在硅圆晶的表面沉积100nm厚的氮化硅薄膜；再用四甲基氢氧化氨定向腐蚀，在硅圆晶基底上腐蚀一个100×100μm窗口，这样就形成了自支撑的氮化硅薄膜，然后利用聚焦离子束在自支撑氮化硅薄膜上进行减薄，减薄区域为1-5μm圆形，减薄区域厚度控制在5-20nm，最后利用聚焦离子束在减薄区域溅射加工孔径为20-100nm纳米孔结构。

图2为氮化硅纳米孔在反向电渗析发电中的应用示意图，该装置用于盛放盐溶液的容器1，所述容器中通过氮化硅纳米孔膜2将其分为两个腔体，其中一个腔体里面装有高浓度盐溶液4，另一个腔体里面装有低浓度盐溶液5，所述高浓度盐溶液中施加阳极电极6，所述低浓度盐溶液中施加阴极电极7，所述阳极电极和所述阴极电极分别通过导线连接负载，本实施例中的负载采用膜片钳放大器3，组成反电渗析盐差能发电系统，膜片钳放大器用来检测电流。

该装置中的氮化硅薄膜厚度为10nm，纳米孔孔径为70nm如图3所示；电极是银/氯化银电极；高浓度氯化钾溶液4的浓度为1mol/L，低浓度氯化钾溶液5的浓度为10^-4mol/L，PH都为5.5。

利用HEKA-EPC10膜片钳放大器3施加-500mV～500mV的电压并测量对应电流得到I-V曲线如图4。当氮化硅薄膜两边不存在盐浓度差时，I-V曲线是过原点的。而图4中可以明显看出I-V曲线与坐标轴产生了截距，I-V曲线与坐标轴的截距I_os和V_os代表该氮化硅纳米孔所等效的电池产生的额定电压与额定电流。

实施例2：

发电装置和发电过程与实施例1完全相同，只是改变了发电装置中的如下参数：

将该装置中的低浓度氯化钾溶液的浓度固定为10^-4mol/L，依次改变高浓度氯化钾的浓度：0.001mol/L，0.01mol/L，0.1mol/L和1mol/L。并依次测量I-V曲线得到氮化硅纳米孔发电的功率密度(孔隙率取30％)如图4。结果显示，随着盐浓度差的增大，功率密度由3226W/m²增大至35350W/m²。

实施例3：

发电装置和发电过程与实施例1完全相同，只是改变了发电装置中的如下参数：

将该装置中的氮化硅纳米孔依次换成40nm、70nm、97nm、140nm，氮化硅薄膜厚度不变，测量I-V曲线并计算功率密度(孔隙率取30％)。得到功率密度如图5，显然纳米孔孔径越小得到的功率密度越大。当氮化硅纳米孔孔径为46nm时得到最大的功率密度61956W/m²。

以上所述的具体实施操作方法，对本发明的技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述为本发明具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。