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研究生： 楊捷宇
Jie-Yu Yang
論文名稱： 大幅放大電動清潔能源之創新設計概念與驗證
Novel design concepts for remarkably boosting electrokinetic energy generation
指導教授： 葉禮賢
Li-Hsien Yeh
口試委員: 葉禮賢
Li-Hsien Yeh
闕居振
Chu-Chen Chueh
林義峯
Yi-Feng Lin
江偉宏
Wei-Hung Chiang
林子恩
Tzu-En Lin
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 化學工程系
Department of Chemical Engineering
論文出版年： 2021
畢業學年度： 109
語文別： 中文
論文頁數： 117
中文關鍵詞： 電動能源 、毛細現象 、蒸騰作用 、水發電系統 、聚電解質 、二維材料 、電雙層
外文關鍵詞： Electrokinetic power, Capillary flow, Transpiration, Water-enabled power generator, Polyelectrolyte, 2D material, Electrical double layer
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    • 目錄 中文摘要 I Abstract II 誌謝 IV 目錄 V 圖目錄 X 表目錄 XV 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 3 1.3研究動機 11 1.3.1 啟發於樹木之不對稱薄膜 11 1.3.2 高效可撓性清淨能源產電裝置 13 第二章 原理機制 15 2.1 電雙層 15 2.2 電動現象 17 2.3 電動能源轉換 18 第三章 實驗設備與方法 22 3.1 實驗藥品與設備 22 3.1.1 實驗藥品 22 3.1.2 實驗製程設備 24 3.1.3 實驗架設 25 3.1.4 實驗結構分析 26 3.2 實驗方法 29 第四章 啟發於樹木之不對稱薄膜結果與討論 37 4.1 啟發於樹木之不對稱薄膜的材料性質分析 37 4.1.1 掃描式電子顯微鏡分析 (SEM) 37 4.1.2 界面電荷分析 (Zeta potential) 38 4.2 TPAM的產電效能實驗結果分析 38 4.2.1 形狀對於TPAM的產電效能影響之實驗驗證 38 4.2.2 TPAM無延遲的產電行為 38 4.2.3 導電材料對於TPAM影響之實驗驗證 39 4.2.4 TPAM梯形結構設計 39 4.2.5 θ角度對於TPAM影響之實驗驗證 39 4.2.6 電解質濃度對於TPAM影響之實驗驗證 40 4.2.7 氯化鈣之吸濕特性 40 4.2.8 氯化鈣對於TPAM影響之實驗驗證 40 4.2.9 TPAM兩側電位差影響之實驗驗證 41 4.2.10量測方向對於TPAM影響之實驗驗證 41 4.3 TPAM於電動能源轉換及應用之結果分析 42 4.3.1 TPAM於電動能源轉換之真實功率輸出結果 42 4.3.2 TPAM實際應用於LED及計算機等小型耗電裝置上 42 第五章 高效可撓性清淨能源產電裝置結果與討論 58 5.1 石墨烯的材料性質分析 58 5.1.1 拉曼光譜分析(Raman spectroscopy) 58 5.1.2 掃描式電子顯微鏡分析 (SEM) 59 5.1.3 原子力顯微鏡分析 (AFM) 59 5.1.4 界面電位分析 (Zeta potential) 59 5.2 高效可撓性清淨能源產電裝置的材料性質分析 59 5.2.1 接觸角分析 (Contact angle) 59 5.2.2 傅立葉紅外線光譜分析(FTIR) 60 5.2.3 掃描式電子顯微鏡分析 (SEM) 60 5.3 LBLM的產電效能實驗結果分析 60 5.3.1 不同材料對於高效可撓性清淨能源產電裝置影響之實驗驗證 61 5.3.2有序及無序結構對於高效可撓性清淨能源產電裝置影響之實驗驗證 62 5.3.3 LBLM無延遲的產電行為 62 5.3.4 溶液滴入方向對於LBLM影響之實驗驗證 63 5.3.5 聚電解質濃度對於LBLM影響之實驗驗證 63 5.3.6 彎曲角度對於LBLM影響之實驗驗證 63 5.3.7 長度對於LBLM之實驗驗證 64 5.3.8 寬度對於LBLM影響之實驗驗證 64 5.3.9 鹽溶液對於LBLM影響之實驗驗證 64 5.4 LBLM置於電動能源轉換及應用之結果分析 65 5.4.1 LBLM於電動能源轉換之真實功率輸出結果 65 5.4.2 串聯與並聯對於LBLM影響之實驗驗證 65 5.4.3 LBLM之實際應用 66 第六章 結論 90 參考文獻 92   圖目錄 圖1-1大自然水循環示意圖 2 圖1-2 電動能源轉換裝置示意圖。(a)傳統電動能源轉換示意圖(取至文獻[11])、(b)新型電動能源轉換示意圖(取至文獻[12]) 3 圖1-3 毛細管束能源轉換之理論及實驗。(a)Osterle[25]提出毛細壓差轉電能之理論示意圖，(b)Srivastava等人[18]使用之滲透能源實驗系統圖，(c)Král 等人[19]提出流體流經奈米碳管之產電機制，(d)Ghosh 等人[20]實驗得知之流體速度與輸出電壓關係圖，(e)Van der Heyden等人[21]提出之電動現象示意圖，(f)Van der Heyden等人[21]以不同鹽種及鹽度流體量測之最大效率 5 圖1-4 溶液與電極相對運動之產生電動能源轉換示意圖。(a)Yin等人[26]在兩電極間藉由液滴滑動產生電能、(b)Yin等人[27]液-氣界面藉由電極上下移動產生電能 6 圖1-5 電動能源產電技術依照外部刺激分類之階層圖 7 圖1-6 電動能源產電技術之濕氣產電裝置示意圖。(a)Liu等人[34]以電漿改質不對稱官能基之多孔碳薄膜、(b)Liang等人[36]製備之多層氧化石墨烯薄膜 8 圖1-7 電動能源產電技術之與水接觸產電裝置示意圖。(a)Xue等人[45]將碳黑塗附在有CNT電極之石英基材進行產電、(b)Sun等人[47]將LDH塗附在有CNT電極之PET基材進行產電 9 圖1-8 電動能源產電技術之滴水蒸發產電裝置示意圖。(a)Yun等人[53]於水平薄膜裝置滴水產電之示意圖、(b)Bae等人[12]於垂直薄膜裝置滴氯化鈣水溶液產電之示意圖 10 圖1-9 啟發於樹木之不對稱薄膜示意圖。(a)啟發於樹木水傳輸過程、(b)電動清淨能源裝置示意圖 12 圖1-10 層狀結構之電動清淨能源產電裝置剖面示意圖 14 圖2-1 在極性溶液中，表面帶負電的固體形成電雙層之示意圖 15 圖2-2 微奈薄膜應用於電動能源轉換之示意圖 19 圖2-3 電動能源轉換系統之開路電壓(VOC)、短路電流(ISC)與最大能源輸出(Pmax)關係圖 20 圖2-4 真實能源輸出示意圖。(a)量測真實能源輸出之等效電路圖、(b)真實能源輸出之關係示意圖 21 圖3-1 電壓-時間與電流-時間量測實驗架設圖。(a)電壓量測實驗架設圖、(b)電流量測實驗架設圖 25 圖3-2 電動能源轉換實驗架設圖。(a)電壓量測實驗架設圖、(b)電流量測實驗架設圖 26 圖3-3 啟發於樹木之不對稱薄膜之製備流程圖 30 圖3-4 有序層狀結構之導電異質薄膜之製備流程圖 33 圖4-1 啟發於樹木之不對稱薄膜實際照片 43 圖4-2 啟發於樹木之不對稱薄膜掃描式電子顯微鏡分析圖 44 圖4-3 碳黑粉末界面電位分析結果 45 圖4-4 形狀對於TPAM的產電效能。(a)形狀對於TPAM電壓對時間實驗數據曲線圖、(b)溶液滴於梯形TPAM之電壓、電流及功率對時間曲線圖 46 圖4-5 溶液滴到TPAM後電壓電流上升實驗數據曲線。(a)溶液滴到TPAM後電壓上升實驗數據曲線、(b)溶液滴到TPAM後電流上升實驗數據曲線 47 圖4-6 親水性紙基材於梯形上滴溶液之電流對時間實驗數據曲線 48 圖4-7 不同梯形TPAM之設計圖。(a)參數設計圖、(b)不同梯形TPAM之實際照片 49 圖4-8 探討不同梯形θ角度之TPAM產電效能。(a)開路電壓對時間實驗數據曲線圖、(b)短路電流對時間實驗數據曲線圖、(c)輸出功率之數據統計曲線圖 50 圖4-9 TPAM在不同KCl濃度下之產電效能。(a)開路電壓對時間實驗數據曲線圖、(b)電壓最大值數據統計長條圖 51 圖4-10 光學顯微鏡觀察氯化鈣之吸濕行為 52 圖4-11 TPAM在不同鹽種類下產電效能之電壓對時間實驗數據曲線圖 53 圖4-12 TPAM兩端滴下水或氯化鈣溶液之電壓對時間實驗數據曲線 54 圖4-13 TPAM垂直與水平量測方式之電壓對時間實驗數據曲線圖 55 圖4-14 TPAM的真實電動能源輸出之量測結果。(a)開路電壓對時間實驗數據曲線、(b)短路電流對時間實驗數據曲線、(c)真實電動能源輸出裝置之等效電路圖、(d)在不同負載電阻下之真實電動能源輸出 56 圖4-15 TPAM串並聯之實際應用。(a)4片TPAM串聯之開路電壓對時間實驗數據曲線、(b)4片TPAM串聯可持續產電超過10天，(i)4片TPAM串聯之實際照片，(ii)4片TPAM串聯可使橘色LED發光，(iii)4片TPAM串聯可使紅色LED發光、(c)4組TPAM串聯與4組TPAM並聯可使電子計算機運作，(i)裝置等效電路圖，(ii)4組TPAM串聯與4組TPAM並聯可使藍色LED發光，(iii)4組TPAM串聯與4組TPAM並聯可使綠色LED發光 57 圖5-1 石墨烯之拉曼光譜圖 67 圖5-2 石墨烯之掃描式電子顯微鏡分析片徑分析結果圖 68 圖5-3 石墨烯之原子力顯微鏡分析片徑分析結果圖 69 圖5-4 石墨烯之界面電位分析結果圖 70 圖5-5 高效可撓性清淨能源產電裝置實際照片。(a)單層結構電動清淨能源裝置、(b)兩層結構電動清淨能源裝置、(c)三層結構電動清淨能源裝置 71 圖5-6 高效可撓性清淨能源產電裝置之接觸角分析 72 圖5-7 高效可撓性清淨能源產電裝置之紅外線光譜分析。(a)、(b)高效可撓性清淨能源產電裝置之紅外線光譜分析、(c)聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)分子結構圖 73 圖5-8 高效可撓性清淨能源產電裝置之掃描式電子顯微鏡分析結果圖 74 圖5-9 高效可撓性清淨能源產電裝置(GCB/PSS/GCB)之掃描式電子顯微鏡剖面圖 75 圖5-10 高效可撓性清淨能源產電裝置之較佳實例與量測方式。(a)高效可撓性清淨能源產電裝置之電動清淨能源發電裝置剖面示意圖、(b)電動清淨能源發電裝置量測方式 76 圖5-11 不同結構與導電材料所量測之電動能源產電結果。(a)開路電壓對時間實驗數據曲線、(b)短路電流對時間實驗數據曲線 77 圖5-12 無序結構與有序結構導電異質薄膜之產電效能。(a)開路電壓對時間實驗數據曲線、(b)短路電流對時間實驗數據曲線、(c)有序結構導電異質薄膜之示意圖、(d)無序結構導電異質薄膜之示意圖 79 圖5-13 溶液滴到LBLM後電壓電流上升實驗數據曲線。(a)溶液滴到LBLM後電壓上升實驗數據曲線、(b)溶液滴到LBLM後電流上升實驗數據曲線 80 圖5-14 LBLM方向性測試實驗數據曲線 81 圖5-15 不同聚電解質濃度所量測之電動能源產電結果。(a)開路電壓對時間實驗數據曲線、(b)短路電流對時間實驗數據曲線 82 圖5-16 在不同彎曲角度下LBLM開路電壓量測結果。(a)開路電壓對時間實驗數據曲線圖、(b)LBLM在彎曲角度為150°的裝置實際照片、(c)LBLM在彎曲角度為0°的裝置實際照片 83 圖5-17 不同長度所量測之電動能源產電結果。(a)開路電壓對時間實驗數據曲線、(b)短路電流對時間實驗數據曲線 84 圖5-18 不同寬度所量測之電動能源產電結果。(a)開路電壓對時間實驗數據曲線、(b)短路電流對時間實驗數據曲線 85 圖5-19 不同溶液所量測之電動能源產電結果。(a)開路電壓對時間實驗數據曲線、(b)短路電流對時間實驗數據曲線 86 圖5-20 LBLM之真實電動能源輸出(插圖為裝置等效電路圖)。 87 圖5-21 高效可撓性清淨能源產電裝置之串並聯數據統計長條圖。(a)有序層狀之異質導電薄膜串聯電壓數據統計長條圖、(b)有序層狀之異質導電薄膜並聯電流數據統計長條圖 88 圖5-22 高效可撓性清淨能源產電裝置串並聯之實際應用。三組有序層狀之異質導電薄膜串聯與3組有序層狀之異質導電薄膜並聯可使電子計算機運作 (插圖為裝置等效電路圖) 89   表目錄 表1-1 材料應用於電動能源轉換之輸出能量整理表 10 表2-1 離子溶液濃度(ni)與德拜長度(λD)關係表 16 表3-1 製備啟發於樹木之不對稱薄膜所需要的藥品及材料表。 22 表3-2 製備有序層狀結構之導電異質薄膜所需要的藥品及材料表。 23 表3-3 薄膜量測實驗以及電動能源轉換實驗所需要的藥品表。 24 表3-4 溶液配置參數表 36 表5-1 高效可撓性清淨能源產電裝置之接觸角分析 72 表5-2 高效可撓性清淨能源產電裝置之電阻值 78

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