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CN107863905A - 一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法 - Google Patents

一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，属于功能材料领域。所述方法为：将两片相同材质的导电材料分别安放在氧化石墨烯膜上，并确保紧固安装，组成发电器件；通过向发电器件间断施加湿气，改变氧化石墨烯膜的湿度环境，即可产生电能；所述导电材料为金属导电材料或非金属导电材料；所述氧化石墨烯膜的厚度为100nm‑100μm。本发明所述方法自发产生电能，不需要进行额外的充电过程，且不同于太阳能电池等能源器件受到外界环境限制的缺点，本发明所述方法只需要改变湿度即可实现发电过程。发电过程只涉及氧化石墨烯膜与水分湿度变化过程，过程也完全绿色环保，可以应用于从汽车尾气中获取能量，实现能量的多级利用。

Description

一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法
技术领域
本发明涉及一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，属于功能材料领域。
背景技术
随着传统化石燃料的枯竭和所带来的污染问题，可再生、绿色清洁能源越来越受到社会关注。将广泛存在于自然界中，但无法直接利用的能源(例如太阳能、废热能和浓差能)转化为可以直接应用的电能将产生巨大的经济和社会利益。太阳能电池和热电模块等供能器件被相应开发出来，从而获取自然界中这些能量，并转换为电能。然而，这些器件的广泛使用受限于环境约束。
相较于其他物质，水与水蒸气更加常见且受环境约束更少，越来越多的研究关注在从水与材料的相互作用上获取能量。目前，已有不少的关于从水与材料的相互作用上获取能量的研究与报道。比如，可以利用海水与淡水的盐分差，通过选择性离子交换膜的渗透作用获取电能。也可以使水或者盐水溶液有方向性地在碳纳米管泡沫表面流动从而获得电能。还可以通过从水蒸气与富含离子液体的高分子膜表面作用获得电能。但上述方法一般受限于水溶液的流动性，且存在水溶液可能泄露的问题，或者所用的材料比较昂贵，不适于大规模的制备与广泛使用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法。所述方法具有过程极其简单，所用材料成本极低，发电方式受环境限制少的特点，适合于大规模推广和生产。可应用于收集汽车发动机尾气或者工厂湿热废气中的能量。
一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，所述方法步骤如下：
(1)将两片相同材质的导电材料分别安放在氧化石墨烯膜上，并确保紧固安装，组成发电器件；
(2)通过向发电器件间断施加湿气，改变氧化石墨烯膜的湿度环境，即可产生电能；
所述导电材料为金属导电材料或非金属导电材料；所述氧化石墨烯膜的厚度为100nm-100μm。
优选的，所述氧化石墨烯膜厚度为70-90μm。
优选的，所述氧化石墨烯膜由氧化石墨烯水溶液抽滤或烘干后得到。
优选的，所述导电材料安放在氧化石墨烯膜两表面或两侧面。
优选的，所述导电材料为金片、碳布或FTO导电玻璃。
优选的，所述湿气施加在导电材料与氧化石墨烯膜接触的位置。
优选的，所述湿气沿平行或垂直于氧化石墨烯膜表面的方向施加。
优选的，所述湿气施加30-40秒后停止，50-100秒后继续施加。
优选的，所述湿气温度为20-40℃；所述湿气相对湿度为70-90％。
有益效果
相较于传统蓄电池等能源器件，本发明所述方法自发产生电能，不需要进行额外的充电过程，且不同于太阳能电池等能源器件受到外界环境限制的缺点，本发明所述方法只需要改变湿度即可实现发电过程。本发明所使用的材料为氧化石墨烯膜，而氧化石墨烯制备过程成熟，成本低，适合大规模推广生产，且制备成为氧化石墨烯膜之后也不需要任何处理。其发电原理为：与水蒸气接触后的氧化石墨烯膜上的含氧官能团电离，释放出自由移动的氢离子，在氢离子浓度梯度的驱动下，氢离子发生定向移动，进而输出电能。发电过程只涉及氧化石墨烯膜与水分湿度变化过程，绿色环保，可以应用于从汽车尾气中获取能量，实现能量的多级利用。
附图说明
图1为实施例1、2、3、4、6和7中的测试方法示意图。
图2为实施例1所测开路电压结果曲线图。
图3为实施例1所测短路电流结果曲线图。
图4为实施例1所测两个发电器件串联所得到的开路电压结果曲线图。
图5为实施例1所测三个发电器件串联所得到的开路电压结果曲线图。
图6为实施例3所测开路电压结果曲线图。
图7为实施例4所测开路电压结果曲线图。
图8为实施例5中的测试方法示意图。
图9为实施例5所测开路电压结果曲线图。
图10为实施例6所测开路电压结果图。
具体实施方案
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
以下实施例中：
实施例1、2、3、4、6和7中的测试方法为：
将两片相同材质的导电材料分别安放在氧化石墨烯膜两表面上，并施加10Mpa压强确保紧固安装，用导线将电信号测试仪器连接到导电材料上，进行测试。
实施例5的测试方法为：
将两片相同材质的导电材料分别安放在氧化石墨烯膜两侧面上，并施加10Mpa压强确保紧固安装，用导线将电信号测试仪器连接到导电材料上，进行测试。
所使用的电信号测试仪器为吉时利(Keithley)数字源表(2400)，测试短路电流的偏压约为5μV，测试开路电压的电流约为3pA。
氧化石墨烯膜的制备方法为：在研钵中将9g硝酸钠研磨后，与9g石墨粉体混合均匀后加入到240mL浓硫酸中。在冰浴、搅拌的条件下，缓慢将40.5g高锰酸钾加入到浓硫酸中，继续剧烈搅拌2h。将体系升温至36℃并保持2h。随后向浓硫酸溶液中加入450ml冰水，搅拌20min。随后将水浴温度升至92℃，将整个硫酸溶液升温至92℃并保温20min。保温过后，将体系取出降至室温，一直保持搅拌过程。加入60ml双氧水，体系由黑色变成金黄色。将所得金黄色溶液离心、透析即可得到氧化石墨烯水溶液；将所得到的氧化石墨烯溶液(10mg/mL)取出9mL抽滤或烘干后得到厚度为90μm的氧化石墨烯膜。
实施例1
一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，所述方法步骤如下：
(1)将两片相同的金片(1*2cm)安放在氧化石墨烯膜两侧面上，并施加10Mpa压强确保紧固安装，组成发电器件；
(2)通过向发电器件间断施加湿气，改变氧化石墨烯膜的湿度环境，即可产生电能；
其中，所述氧化石墨烯膜由氧化石墨烯水溶液抽滤后得到，所述湿气施加在导电材料与氧化石墨烯膜接触的位置；所述湿气沿垂直于氧化石墨烯膜片层的方向施加；所述湿气施加30秒后停止，100秒后继续施加；所述湿气温度为20℃；所述湿气相对湿度为70％。
所测开路电压结果如图2所示，开路电压为约400mV-450mV；所测短路电流密度结果如图3所示，短路电流密度大小约为0.4-2μA/cm2；表明有电能产生。
将两个发电器件器件串联后，所测开路电压结果如图4所示，开路电压为0.8V-0.9V；将三个发电器件器件串联后，所测开路电压结果如图5所示，开路电压为1.1-1.3V。
实施例2
一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，所述方法步骤如下：
(1)将两片相同的金片(1*2cm)安放在氧化石墨烯膜的两侧面上，并施加10Mpa压强确保紧固安装，组成发电器件；
(2)通过向发电器件间断施加湿气，改变氧化石墨烯膜的湿度环境，即可产生电能；
其中，所述氧化石墨烯膜由氧化石墨烯水溶液在50℃下烘干后得到，所述湿气施加在导电材料与氧化石墨烯膜接触的位置；所述湿气沿垂直于氧化石墨烯膜的片层方向施加；所述湿气施加30秒后停止，100秒后继续施加；所述湿气温度为20℃；所述湿气相对湿度为70％。
所测开路电压结果约为250mV-300mV，表明有电能产生。
实施例3
一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，所述方法步骤如下：
(1)将两片相同的FTO导电玻璃(1*2cm)分别安放在氧化石墨烯膜的两侧面上，并施加10Mpa压强确保紧固安装，组成发电器件；
(2)通过向发电器件间断施加湿气，改变氧化石墨烯膜的湿度环境，即可产生电能；
其中，所述氧化石墨烯膜由氧化石墨烯水溶液抽滤后得到，所述湿气施加在导电材料与氧化石墨烯膜接触的位置；所述湿气沿垂直于氧化石墨烯膜的片层方向施加；所述湿气施加30秒后停止，100秒后继续施加；所述湿气温度为20℃；所述湿气相对湿度为70％。
所测开路电压结果如图7所示，开路电压为0.4-0.45V；表明有电能产生，测试结果与实施例1类似，表明电能的产生并不是由于氧化石墨烯膜与金属导电材料接触或两者之间的化学反应造成。
实施例4
一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，所述方法步骤如下：
(1)将两片相同的碳布(品牌为台湾Cetech，型号为W0S1002)(1*2cm)分别安放在氧化石墨烯膜的两侧面上，并施加10Mpa压强确保紧固安装，组成发电器件；
(2)通过向发电器件间断施加湿气，改变氧化石墨烯膜的湿度环境，即可产生电能；
其中，所述氧化石墨烯膜由氧化石墨烯水溶液抽滤后得到，所述湿气施加在导电材料与氧化石墨烯膜接触的位置；所述湿气沿垂直于氧化石墨烯膜的方向施加；所述湿气施加30秒后停止，100秒后继续施加；所述湿气温度为20℃；所述湿气相对湿度为70％。
所测开路电压结果如图7所示，开路电压为0.25-0.3V；表明有电能产生，测试结果与实施例2类似，表明电能的产生并不是由于氧化石墨烯膜与导电材料接触或两者之间的化学反应造成。
实施例5
一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，所述方法步骤如下：
(1)将两片相同的金片(1*2cm)分别安放在氧化石墨烯膜的两表面上，并施加10Mpa压强确保紧固安装，组成发电器件；
(2)通过向发电器件间断施加湿气，改变氧化石墨烯膜的湿度环境，即可产生电能；
其中，所述氧化石墨烯膜由氧化石墨烯水溶液抽滤后得到，所述湿气施加在导电材料与氧化石墨烯膜接触的位置；所述湿气沿平行于氧化石墨烯膜的片层方向施加；所述湿气施加30秒后停止，100秒后继续施加；所述湿气温度为20℃；所述湿气相对湿度为70％。
所测开路电压结果如图9所示，开路电压分别为0.5-0.7V，可知与湿气沿垂直于氧化石墨烯膜的方向施加相比，湿气沿平行于氧化石墨烯膜的方向施加，电能的发生效率更高。
实施例6
一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，所述方法步骤如下：
(1)将两片相同的金片(1*2cm)分别安放在氧化石墨烯膜的两侧面上，并施加10Mpa压强确保紧固安装，组成发电器件；
(2)通过向发电器件间断施加湿气，改变氧化石墨烯膜的湿度环境，即可产生电能；
其中，所述氧化石墨烯膜由氧化石墨烯水溶液抽滤后得到，所述湿气施加在导电材料与氧化石墨烯膜接触的位置；所述湿气沿垂直于氧化石墨烯膜的片层方向施加；所述湿气施加30秒后停止，100秒后继续施加；所述湿气相对湿度为70％。
调节湿气温度范围从20℃到40℃，所测开路电压结果如图10所示，开路电压为0.4-0.8V；表明有电能产生，且电能发生的效率与湿气温度相关，温度越高，产生的电能越多。
实施例7
一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，所述方法步骤如下：
(1)将两片相同的金片(1*2cm)分别安放在氧化石墨烯膜的两侧面上，并施加10Mpa压强确保紧固安装，组成发电器件；
(2)用一个蒸汽机的尾气(尾气温度40℃，湿度90％)向发电器件间断施加湿气，改变氧化石墨烯膜的湿度环境，即可产生电能；
其中，所述氧化石墨烯膜由氧化石墨烯水溶液抽滤后得到，所述湿气施加在导电材料与氧化石墨烯膜接触的位置；所述湿气沿垂直于氧化石墨烯膜的片层方向施加；所述湿气施加30秒后停止，100秒后继续施加；所述湿气相对湿度为90％。
测试方法如图2所示，调节湿气温度范围从20℃到40℃，所测开路电压结果为0.4-0.8V；表明有电能产生，且该发电器件可以应用于汽车、工厂等地的尾气废能回收与再利用。
发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)将两片相同材质的导电材料分别安放在氧化石墨烯膜上，并确保紧固安装，组成发电器件；
(2)通过向发电器件间断施加湿气，改变氧化石墨烯膜的湿度环境，即可产生电能；
所述导电材料为金属导电材料或非金属导电材料；所述氧化石墨烯膜的厚度为100nm-100μm。
2.如权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，其特征在于：所述氧化石墨烯膜厚度为70-90μm。
3.如权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，其特征在于：所述氧化石墨烯膜由氧化石墨烯水溶液抽滤或烘干后得到。
4.如权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，其特征在于：所述导电材料安放在氧化石墨烯膜两表面或两侧面。
5.如权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，其特征在于：所述导电材料为金片、碳布或FTO导电玻璃。
6.如权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，其特征在于：所述湿气施加在导电材料与氧化石墨烯膜接触的位置。
7.如权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，其特征在于：所述湿气沿平行或垂直于氧化石墨烯膜表面的方向施加。
8.如权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，其特征在于：所述湿气施加30-40秒后停止，50-100秒后继续施加。
9.如权利要求1所述的一种基于氧化石墨烯膜的电能产生方法，其特征在于：所述湿气温度为20-40℃；所述湿气相对湿度为70-90％。
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