[发明专利]超薄氮化硅纳米孔膜在反向电渗析发电中的应用及装置

说明书

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。

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。。