利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化装置及方法

本发明涉及纳米能源技术及mems，具体是一种利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化装置及方法。

背景技术：

1、近年来，随着传统能源的不断趋于耗尽和能源危机的不断加深，气候变化成为当今人类面临的重大挑战。全球每天产生的能量中约70%以废热形式流失，废热是可用清洁、廉价能源的最大来源之一。目前，热-电转换主要方式有热电发电机（tegs）和热电化学电池（tecs），其存在转换效率低（5~10%）、成本高等缺点，参考王伟光. 低温余热利用双金属热再生氨基电池理论及实验研究[d].天津大学,2021.doi:10.27356/d.cnki.gtjdu.2021.000527.，寻求高效热-电转换技术是当前国际研究前沿。

2、反电渗析发电技术，即通过具有选择性的离子交换膜将盐溶液中离子间化学能转化成电能，是一种典型的能量转化技术。研究人员发现，利用浓度梯度驱动离子通过纳米膜，可以产生稳定的电势差和输出电流，比如logan b e, elimelech m. membrane-basedprocesses for sustainable power generation using water [j]. nature, 2012, 488(7411): 313-9.；将不同电解质的盐溶液通过多级纳米膜透析到淡水中，产生的电能相当于水力发电下同体积300米落水的发电能量，比如xiao t l, li x j, liu z y, et al.low-cost 2d nanochannels as biomimetic salinity- and heat-gradient powergenerators [j]. nano energy, 2022, 103.；利用毛细管中液体的毛细压力驱动电解质溶液通过纳米膜同样能产生电流，参考刘抗,李昌铮,阚伟民等.毛细驱动纳米通道双电层发电的风能转换特性[j].工程热物理学报,2015,36(03):650-653.。

3、近期，有学者研究发现，微小的温度场就能驱液体从热端向冷端流动，其传热传质过程可通过温度场精准控制，dai q, huang w, wang x, et al. directionalinterfacial motion of liquids: fundamentals, evaluations, and manipulationstrategies [j]. tribology international, 2021, 154.。那么，能否基于反电渗析发电技术，利用液体热驱流动特性，设计一种新型热-电转换装置，利用工业废热构筑温度差进行发电。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化装置及方法，利用温度梯度驱动离子通过纳米膜产生电势差，将热能转化为电能，实现工业废热的有效回收。

2、本发明提供了一种利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化装置，包括纳米膜固定装置，纳米膜固定装置两侧依次通过流道座连接有铝块，一侧铝块连接陶瓷加热片，另一侧铝块连接半导体制冷片；所述流道座为空腔结构，空腔内设置有温度传感器并填充有电解质溶液，电解质溶液于纳米膜固定装置中的纳米膜连通，两个流道座中的温度传感器以及陶瓷加热片分别与外部的温控仪连接。

3、所述纳米膜固定装置包括通过紧固螺栓螺母连接的两个膜基座，两个膜基座中央连接处开有凹槽，凹槽外侧设置有与流道座连通的纳米通道，凹槽内设置有纳米膜，纳米膜和凹槽之间设置有环形密封圈。

4、所述利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化装置的工作方法，包括以下步骤：

5、1）温控仪控制陶瓷加热片通过铝块加热一侧流道座内的加热电解质溶液，同时温控仪监控该侧电解质溶液内温度传感器反馈的温度情况，直至电解质溶液到达设定温度；

6、2）温控仪控制另一侧半导体制冷片通过铝块降低该侧流道座内的加热电解质溶液的温度，同时温控仪监控该侧电解质溶液内温度传感器反馈的温度情况，直至电解质溶液到达设定温度；

7、3）电解质溶液只能通过纳米通道实现从高温区到低温区的移动，阳离子被纳米膜阻挡在高温侧，阴离子顺利通过纳米膜，最终阳离子汇聚在热端，阴离子汇聚在冷端，两端产生电势差；

8、4）将上述电势差作为电源，连接到外部负载，实现发电的目的。

9、上述纳米膜的制备方法，包括以下步骤：将na+基蒙托土分散到去离子水中，经过强力搅拌和超声振荡剥离出片状纳米mmt分散体；然后经过高速离心，去除未剥离的粉末，收集浅黄色上层清液；将上层清液利用真空辅助过滤，mmt分散体沉积附着在的尼龙过滤膜上；通过真空将干燥膜得到mmt-尼龙复合纳米膜；层状堆积的mmt分散体之间存在纳米级缝隙，并且强力的附着在尼龙过滤膜的尼龙纤维之间，得到纳米膜。

10、本发明还提供了一种利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化方法，包括以下步骤：构筑电解质溶液流动通道，通道中央设置有纳米膜，在通道一侧形成热端，另一侧形成冷端，电解质溶液在温度梯度的驱动下高温区域的离子产生向低温区域扩散的趋势，阳离子被纳米膜阻挡在高温侧，阴离子顺利通过纳米膜，最终阳离子汇聚在热端，阴离子汇聚在冷端，两端产生电势差，利用电势差作为电源，连接到外部负载，实现发电的目的。

11、本发明还提供了一种多级纳米膜串联发电装置，包括固定基座和溶液池，所述固定基座通过磁铁吸附在发热工件表面；所述溶液池中串联有若干热电转化装置，热电转化装置两端分别连接有传热铜块和散热铜块，其中传热铜块安装在固定基座上并与发热工件表面充分接触。

12、本发明有益效果在于：

13、1、热电转化装置利用温度梯度驱动离子通过纳米膜产生电势差，将热能转化为电能，实现工业废热的有效回收。

14、2、利用该热电转化方法，可以设计不同的热电转化装置，满足不同场景的发电需求。

15、3、本发明制备的mmt-尼龙复合纳米膜相对于普通mmt纳米膜其结构强度能得到巨大提升。

16、4、本发明提供的多级纳米膜串联发电装置，将温度梯度场中的每一个发电单元相互串联，发电电压叠加，提高发电效率。

技术特征：

1.一种利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化装置，其特征在于：包括纳米膜固定装置，纳米膜固定装置两侧依次通过流道座连接有铝块，一侧铝块连接陶瓷加热片，另一侧铝块连接半导体制冷片；所述流道座为空腔结构，空腔内设置有温度传感器并填充有电解质溶液，电解质溶液于纳米膜固定装置中的纳米膜连通，两个流道座中的温度传感器以及陶瓷加热片分别与外部的温控仪连接。

2.根据权利要求1所述的利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化装置，其特征在于：所述纳米膜固定装置包括通过紧固螺栓螺母连接的两个膜基座，两个膜基座中央连接处开有凹槽，凹槽外侧设置有与流道座连通的纳米通道，凹槽内设置有纳米膜，纳米膜和凹槽之间设置有环形密封圈。

3.一种权利要求1所述利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化装置的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

4.一种权利要求1中所述纳米膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将na+基蒙托土分散到去离子水中，经过强力搅拌和超声振荡剥离出片状纳米mmt分散体；然后经过高速离心，去除未剥离的粉末，收集浅黄色上层清液；将上层清液利用真空辅助过滤，mmt分散体沉积附着在的尼龙过滤膜上；通过真空将干燥膜得到mmt-尼龙复合纳米膜；层状堆积的mmt分散体之间存在纳米级缝隙，并且强力的附着在尼龙过滤膜的尼龙纤维之间，得到纳米膜。

5.一种利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化方法，其特征在于包括以下步骤：构筑电解质溶液流动通道，通道中央设置有纳米膜，在通道一侧形成热端，另一侧形成冷端，电解质溶液在温度梯度的驱动下高温区域的离子产生向低温区域扩散的趋势，阳离子被纳米膜阻挡在高温侧，阴离子顺利通过纳米膜，最终阳离子汇聚在热端，阴离子汇聚在冷端，两端产生电势差，利用电势差作为电源，连接到外部负载，实现发电的目的。

6.一种多级纳米膜串联发电装置，其特征在于：包括固定基座和溶液池，所述固定基座通过磁铁吸附在发热工件表面；所述溶液池中串联有若干热电转化装置，热电转化装置两端分别连接有传热铜块和散热铜块，其中传热铜块安装在固定基座上并与发热工件表面充分接触。

技术总结本发明提供了一种利用温度梯度驱动盐溶液定向迁移的热电转化装置级方法，通过构筑电解质溶液流动通道，通道中央设置有纳米膜，在通道一侧形成热端，另一侧形成冷端，电解质溶液在温度梯度的驱动下高温区域的离子产生向低温区域扩散的趋势，阳离子被纳米膜阻挡在高温侧，阴离子顺利通过纳米膜，最终阳离子汇聚在热端，阴离子汇聚在冷端，两端产生电势差，利用电势差作为电源，连接到外部负载，实现发电的目的。本发明能将热能转化为电能，实现工业废热的有效回收。技术研发人员：戴庆文,孟宇航,黄巍,王晓雷受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29