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CN116015102A - 一种环境湿度发电器件及其制备方法 - Google Patents

一种环境湿度发电器件及其制备方法 Download PDF

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CN116015102A CN202310194156.7A CN202310194156A CN116015102A CN 116015102 A CN116015102 A CN 116015102A CN 202310194156 A CN202310194156 A CN 202310194156A CN 116015102 A CN116015102 A CN 116015102A
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刘珍
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Abstract

本发明公开一种环境湿度发电器件及其制备方法。所述环境湿度发电器件包括：基底；第一电极和第二电极，位于所述基底的两端；纳米多孔材料层，位于所述基底的具有所述第一电极和第二电极的表面上；水凝胶层，位于所述纳米多孔材料层一端。本发明将水凝胶铺展在器件的一端，使得器件该端富含丰富的水分，而另一端直接和环境接触，由此会使得器件两端湿度分布不均，在环境中形成稳定的湿度梯度。该设计使器件本身置于自然环境中便能形成稳定的湿度梯度，可以实现随时随地发电，具有稳定电能输出、使用便捷的优势。而且水凝胶也会沿着器件迁移到纳米多孔材料层，使得该层中富含凝胶，这会大大降低器件的内阻，从而大大增强电能输出效果。

Description

一种环境湿度发电器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种环境湿度发电器件及其制备方法。
背景技术
不断寻找和发展新型可再生绿色能源以逐步取代高污染且日渐枯竭的化石能源，是当前也是未来很长一段时间人类社会发展最值得关注的问题之一。作为地球上丰富且可再生的自然资源，大气中的水分随处可见。利用大气中的环境湿度进行电能的收集和输出，是一种缓解能源危机的有效方法。
当空气湿度发生变化时，高湿侧会自发地向低湿侧扩散，吉布斯自由能发生变化；通过适宜的材料介质进行转换，就具有对外做功、湿度能转换为电能的可能性。现有研究发现，湿度驱动发电机需采用表面含有特定含氧官能团(如-COOH、-SO3H)或者富含纳米通道材料作为介质，主要包括碳基材料、有机聚合物和金属纳米氧化物材料。当水分与膜材料内部表面接触时，会部分解离成OH-/H3O+离子对，并在双电层的作用下产生离子的分离，最终在湿度梯度驱动下定向移动，产生电荷不对称分布和电能输出。在现有的研究中，环境湿度发电机的制备和组装较为复杂，且为了维持长期的稳定输出，研究中常常将器件一端和水直接接触的方法，这会导致器件的腐蚀、低性能输出和使用不便捷的缺点，难以实现湿度发电机的随时随地发电的优势，不利于实际应用。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种环境湿度发电器件及其制备方法，旨在解决现有常常将器件一端和水直接接触，导致器件的腐蚀、低性能输出和使用不便捷的问题。
本发明的技术方案如下：
一种环境湿度发电器件，其中，包括：
基底；
第一电极和第二电极，位于所述基底的两端；
纳米多孔材料层，位于所述基底的具有所述第一电极和第二电极的表面上；
水凝胶层，位于所述纳米多孔材料层一端。
可选地，所述第一电极和第二电极各自独立地选自惰性金属电极、碳基材料电极中的一种。
可选地，所述纳米多孔材料层的材料选自二氧化钛纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、氧化铝纳米颗粒、氧化铁纳米颗粒、氧化钴纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒、氧化锰纳米颗粒、氧化铜纳米颗粒中的一种。
可选地，所述水凝胶层为钴基水凝胶层。
可选地，所述第一电极和第二电极的厚度均为0.5-10μm。
可选地，所述纳米多孔材料层的厚度为2-20μm。
可选地，所述水凝胶层的厚度为0.5-5mm，所述水凝胶层的铺展面积为所述基底面积的0.2-0.5。
可选地，所述第一电极和第二电极均为多壁碳纳米管电极，所述纳米多孔材料层为二氧化钛纳米颗粒层，所述水凝胶层为钴基水凝胶层。
一种本发明所述的环境湿度发电器件的制备方法，其中，包括步骤：
提供基底；
在所述基底的两端制备第一电极和第二电极；
在具有所述第一电极和第二电极的基底表面上制备纳米多孔材料层；
在所述纳米多孔材料层的一端制备水凝胶层。
可选地，所述制备纳米多孔材料层的方法选自红外涂敷法、喷涂法、刮涂法中的一种。
有益效果：本发明公开一种利用环境湿度收集电能的环境湿度发电器件，该器件关键在于使用了水凝胶，该水凝胶置于器件的一端，使得器件该端富含丰富的水分，而另一端直接和环境接触，由此会使得器件两端在环境中形成稳定的湿度梯度。与现有将器件一端和水直接接触的方法相比，该设计使器件本身置于自然环境中便能形成稳定的湿度梯度，实现器件随时随地发电，具有稳定电能输出、使用便捷的优势。而且水凝胶也会沿着器件迁移到纳米多孔材料层(作为发电层)，使得发电层中富含凝胶，这会大大降低器件的内阻，从而大大增强电能输出效果。
附图说明
图1为本发明具体实施例中电极和纳米多孔材料的成膜示意图。
图2为本发明具体实施例中水凝胶铺展示意图。
图3为本发明具体实施例1中二氧化钛纳米颗粒电镜扫描图。
图4为本发明具体实施例1中二氧化钛纳米颗粒铺展水凝胶之后的电镜扫描图。
图5为本发明具体实施例1中器件测试元素分布点。
图6为本发明具体实施例1中器件发电性能测试图。
图7为本实施例2中二氧化硅器件发电性能测试图。
图8为本实施例3中二氧化钛器件发电性能测试图。
图9为本发明具体实施例中器件不同水凝胶铺展长度下的发电性能比较图。
具体实施方式
本发明提供一种环境湿度发电器件及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
环境湿度发电器件(简称器件)是一种利用环境湿度收集电能的器件。在现有的研究中，环境湿度发电机的制备和组装较为复杂，且为了维持长期的稳定输出，研究中常常将器件一端和水直接接触的方法，这会导致器件的腐蚀、低性能输出和使用不便捷的缺点，难以实现湿度发电机的随时随地发电的优势，不利于实际应用。
基于此，本实施例提出了一种直接在器件内部实现湿度梯度，维持器件长期稳定的电能输出，能够有助于推动湿度发电的实际应用。
本发明实施例提供一种环境湿度发电器件，其中，包括：
基底；
第一电极和第二电极，位于所述基底的两端；
纳米多孔材料层，位于所述基底的具有所述第一电极和第二电极的表面上；
水凝胶层，位于所述纳米多孔材料层一端。
本实施例的环境湿度发电器件利用环境湿度收集电能的原理如下：水凝胶层位于器件的一端，使得器件该端富含丰富的水分，而另一端直接和环境接触，由此会使得器件两端在环境中形成湿度梯度，在吉布斯自由能的作用下水分定向移动，移动中通过纳米多孔材料层，当水分与纳米多孔材料接触时，会部分解离成OH-/H3O+离子对，并在双电层和表面电位的作用下正负离子分离和定向移动，由此产生电荷不对称分布和电能输出。
将器件的第一电极和第二电极连接导线(如铜导线)，由导线接出可以方便后续的电能使用。本实施例直接利用环境湿度进行电能收集和利用的设计，借助自然界中无所不在的湿度蕴含的能量来进行发电，具有总量大，发电条件简单等优势，为缓解世界能源危机提供了一个设计。
与现有相比，本实施例关键在于使用了水凝胶，该水凝胶铺展在器件的一端，使得器件该端富含丰富的水分，而另一端直接和环境接触，由此会使得器件两端湿度分布不均，在环境中形成稳定的湿度梯度。该设计使器件本身置于自然环境中便能形成稳定的湿度梯度，可以实现随时随地发电，具有稳定电能输出、使用便捷的优势。而且水凝胶也会沿着器件迁移到纳米多孔材料层(作为发电层)，使得发电材料层中富含凝胶，这会大大降低器件的内阻，从而大大增强电能输出效果。
此外，与现有采用表面含有特定含氧官能团(如-COOH、-SO3H)或者富含纳米通道材料作为发电层相比，本实施例采用纳米多孔材料作为发电层，其成膜方法多样、成熟且容易制备，有助于实现大规模的发展。具体来说，在制备过程中，将纳米多孔材料分散后可以直接通过喷涂、干燥工艺便实现纳米多孔材料在基底上的均匀铺展。相比而言，特定含氧官能团和微观通道的制备复杂，成功率难以保证。同时，纳米多孔材料的结构可以在自然界中长时间稳定存在。
在一些实施方式中，所述基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷硅胶、有机玻璃等中的一种。
本实施例中，所述第一电极和第二电极位于基底的两端，用作器件的正负极。在一些实施方式中，所述第一电极和第二电极各自独立地选自惰性金属电极、碳基材料电极中的一种。
在一些实施方式中，所述第一电极和第二电极的厚度均为0.5-10μm。
本实施例中，所述纳米多孔材料层位于所述基底的具有所述第一电极和第二电极的表面上，用作器件的发电层。在一些实施方式中，所述纳米多孔材料层的材料选自二氧化钛纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、氧化铝纳米颗粒、氧化铁纳米颗粒、氧化钴纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒、氧化锰纳米颗粒、氧化铜纳米颗粒等中的一种。
在一些实施方式中，所述纳米多孔材料层的厚度为2-20μm。
在一些实施方式中，所述水凝胶层为钴基水凝胶层。
在一些实施方式中，所述水凝胶层的厚度为0.5-5mm，所述水凝胶层的铺展面积大约为所述基底面积的0.2-0.5。在长为50mm、宽为40mm的基底上，沿基底长度方向发现随着铺展水凝胶长度的增长，电压输出先增大后减小，在长度14-18mm下得到最大输出电压。这主要是因为当水凝胶铺展较少时，虽然会形成明显的湿度梯度，但在湿度梯度作用下进行移动的水分较少，且水分移动至上电极的距离较远，水分从下电极移动到上电级的阻力较大，因此电压输出较低；而在液面长度超过22mm后，在毛细管力和湿度梯度的传质作用下，部分水分沿着平板往上移动到达顶部电极附近，使得顶部的湿度含量增大，导致两电极间的湿度差减小，离子移动的推动力减小，因此电压输出逐渐降低。
在一些实施方式中，所述第一电极和第二电极均为多壁碳纳米管电极，所述纳米多孔材料层为二氧化钛纳米颗粒层，所述水凝胶层为钴基水凝胶层。本实施例中，所述多壁碳纳米管电极连接外导线，作为器件的正负极；所述二氧化钛纳米颗粒层作为核心发电层。所述钴基水凝胶铺展在器件一端，以维持稳定的高湿度端。本实施例提供的环境湿度发电器件能直接从环境中吸湿并产生电能输出，实现随时随地输出电能，促进了工业应用发展。
本发明实施例提供一种如上任一项所述的环境湿度发电器件的制备方法，其中，包括步骤：
S1、提供基底；
S2、在所述基底的两端制备第一电极和第二电极；
S3、在具有所述第一电极和第二电极的基底表面上制备纳米多孔材料层；
S4、在所述纳米多孔材料层的一端制备水凝胶层。
本实施例选用纳米多孔材料作为发电层材料，其成膜方法多样、成熟且容易制备，有助于实现大规模的应用。在一些实施方式中，所述制备纳米多孔材料层的方法选自红外涂敷法、喷涂法、刮涂法等中的一种。采用上述方法，可以形成稳定且厚度可控的纳米多孔材料层。
步骤S1中，在一些实施方式中，所述基底为经预处理的基底。进一步地，所述预处理的步骤如下：将基底依次置于清洗溶液、去离子水中，分别超声清洗3次，获得干净的基底。
步骤S2中，在一些实施方式中，当所述第一电极和第二电极均为碳基材料电极时，在所述基底的两端制备第一电极和第二电极的步骤具体包括：将碳基材料溶液铺展在基底的两端，并置于红外涂敷机上，干燥过夜(超过8h)，在所述基底的两端获得碳基材料电极。当然也可以通过直接刮涂的方式获得所需厚度的碳基材料电极。
步骤S3中，在一些实施方式中，在具有所述第一电极和第二电极的基底表面上制备纳米多孔材料层的步骤具体包括：
提供纳米多孔材料溶液；
将所述纳米多孔材料溶液铺展在具有所述第一电极和第二电极的基底上，并置于红外涂敷机上，设计厚度为2-20μm，最后在70 -90℃温度下干燥过夜使纳米多孔材料与基底紧密连接。
在一些实施方式中，所述纳米多孔材料溶液的制备步骤如下：将一定质量的纳米颗粒材料(100-300nm)分散于无水乙醇等溶剂中(纳米多孔材料与溶剂的质量比为0.5-1.2)，搅拌过夜(超过8h)，获得分散均匀的纳米多孔材料溶液(便于后续形成均匀的纳米多孔材料层)，并且具有一定的粘性，便于后续在红外涂敷机上涂敷成膜。
步骤S4中，在一些实施方式中，在所述纳米多孔材料层的一端制备水凝胶层的步骤包括：
制备水凝胶；
将制备的水凝胶铺放在纳米多孔材料层的一端，在所述纳米多孔材料层的一端制备得到水凝胶层。制备完成环境湿度发电器件后，可以在器件第一电极和第二电极上通过导线接出，以方便后续的电能使用。
在一些实施方式中，所述水凝胶层为钴基水凝胶层。进一步地，所述钴基水凝胶的制备步骤如下：
取7.24g CoCl6·6H2O溶解在50mL乙二醇甲醚中，超声30min；然后加入2.1mL乙醇胺，继续超声30min至所有沉积物溶解，再加入50mL去离子水形成不透明的粉红色前体；最后在50℃环境下干燥过夜获得蓝绿色钴基水凝胶。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。
结合图1-图2所示，本实施例的环境湿度发电器件的制备步骤如下：
实施例1
(1)将4×5cm2的PET基底依次置于有机玻璃清洗溶液、去离子水中分别超声清洗，获得干净的PET基底。
(2)将商业购买的多壁碳纳米管溶液(质量分数为13％；40-60nm)铺展在PET基底的两端，铺展面积为1×4cm2，置于红外涂敷机上，设计成膜厚度，干燥过夜，获得5μm厚度的多壁碳纳米管层，用作器件的正负极。
(3)将2g的二氧化钛纳米颗粒(100-300nm)分散于2g的无水乙醇中(质量比1:1)，搅拌过夜(超过8h)，获得分散均匀的二氧化钛纳米颗粒溶液。
将上述获得的二氧化钛纳米颗粒溶液铺展在步骤(2)制备好电极的PET基底上，并置于红外涂敷机上，设计厚度为2-20μm，获得二氧化钛层，覆盖在电极中间位置(面积约为3×4cm2)；最后在80℃温度下干燥过夜使得其与PET基底紧密连接。
(4)取7.24g CoCl6·6H2O溶解在50mL乙二醇甲醚中，超声30min。再加入2.1mL乙醇胺，继续超声30min至所有沉积物溶解，再加入50mL去离子水形成不透明的粉红色前体。最后在50℃环境下干燥过夜获得蓝绿色钴基水凝胶。
将制备的钴基水凝胶铺放在二氧化钛层的底端(沿基底长度方向钴基水凝胶铺展的长度为18mm)，在钴基水凝胶的作用下会使得二氧化钛层中富含凝胶材料，大大降低纳米多孔材料层的电阻。
实施例2
(1)将4×5cm2的PET基底依次置于有机玻璃清洗溶液、去离子水中分别超声清洗，获得干净的PET基底。
(2)将商业购买的多壁碳纳米管溶液(质量分数为13％；40-60nm)铺展在PET基底的两端，铺展面积为1×4cm2，置于红外涂敷机上，设计成膜厚度，干燥过夜，获得5μm厚度的多壁碳纳米管层，用作器件的正负极。
(3)将2g的二氧化硅纳米颗粒(100-300nm)分散于2g的无水乙醇中(质量比1:1)，搅拌过夜(超过8h)，获得分散均匀的二氧化硅纳米颗粒溶液。
将上述获得的二氧化硅纳米颗粒溶液铺展在步骤(2)制备好电极的PET基底上，并置于红外涂敷机上，设计厚度为10μm，获得二氧化硅层，覆盖在电极中间位置(面积约为3×4cm2)；最后在80℃温度下干燥过夜使得其与PET基底紧密连接。
(4)取7.24g CoCl6·6H2O溶解在50mL乙二醇甲醚中，超声30min。再加入2.1mL乙醇胺，继续超声30min至所有沉积物溶解，再加入50mL去离子水形成不透明的粉红色前体。最后在50℃环境下干燥过夜获得蓝绿色钴基水凝胶。
将制备的钴基水凝胶铺放在二氧化硅层的底端(沿基底长度方向钴基水凝胶铺展的长度为18mm)，在钴基水凝胶的作用下会使得二氧化硅层中富含凝胶材料，大大降低纳米多孔材料层的电阻。
实施例3
(1)将4×5cm2的PET基底依次置于有机玻璃清洗溶液、去离子水中分别超声清洗，获得干净的PET基底。
(2)将商业购买的多壁碳纳米管溶液(质量分数为13％；40-60nm)铺展在PET基底的两端，铺展面积为1×4cm2，置于红外涂敷机上，设计成膜厚度，干燥过夜，获得5μm厚度的多壁碳纳米管层，用作器件的正负极。
(3)将2g的二氧化钛纳米颗粒(100-300nm)分散于2g的无水乙醇中(质量比1:1)，搅拌过夜(超过8h)，获得分散均匀的二氧化钛纳米颗粒溶液。
将上述获得的二氧化钛纳米颗粒溶液铺展在步骤(2)制备好电极的PET基底上，并置于红外涂敷机上，设计厚度为10μm，获得二氧化钛层，覆盖在电极中间位置(面积约为3×4cm2)；最后在80℃温度下干燥过夜使得其与PET基底紧密连接。
(4)取7.24g CoCl6·6H2O溶解在50mL乙二醇甲醚中，超声30min。再加入2.1mL乙醇胺，继续超声30min至所有沉积物溶解，再加入50mL去离子水形成不透明的粉红色前体。最后在50℃环境下干燥过夜获得蓝绿色钴基水凝胶。
将制备的钴基水凝胶铺放在二氧化钛层的底端(沿基底长度方向钴基水凝胶铺展的长度为22mm)，在钴基水凝胶的作用下会使得二氧化钛层中富含凝胶材料，大大降低纳米多孔材料层的电阻。
表征和器件性能测试结果：
图3为本实施例1中二氧化钛纳米颗粒电镜扫描图。
图4为本实施例1中二氧化钛纳米颗粒铺展水凝胶之后的电镜扫描图。在器件底部铺展水凝胶后，在二氧化钛纳米颗粒的表面黏附了一层水凝胶材料。这是由于水凝胶会沿着平板从底部逐渐往上进行传质运动，使得二氧化钛纳米颗粒的表面黏附上一层水凝胶。但同时可以发现水凝胶的引入不会改变二氧化钛的颗粒大小和微纳米通道。
图5为本实施例1中器件测试元素分布点。通过EDS测试可以发现，三个位置上的元素分布没有明显的区别，在平板上钴离子和氯离子的分布均匀，在平板结构中未形成离子梯度，如表1所示。通过钴离子和氯离子的分布图也可以发现随着水凝胶铺展足够长的时间之后，水凝胶会在发电平板上广泛均匀地分布。
图6为本实施例1中二氧化钛器件发电性能测试图。单一二氧化钛器件的电压输出可以稳定在0.6-0.9V，电流输出也可以达到60-80μA。并能维持超过100h的稳定输出。
图7为本实施例2中二氧化硅器件发电性能测试图。单一二氧化硅器件的电压输出可以稳定在0.7-0.8V。
图8为本实施例3中二氧化钛器件发电性能测试图。在水凝胶铺展长度(沿基底方向)为22mm时，二氧化钛器件的电压输出稳定在0.4-0.5V。
图9为本实施例中不同水凝胶铺展长度下的发电性能比较图。发现随着铺展水凝胶长度的增大，电压输出先增大后减小，在长度14-18mm下得到最大输出电压。而由于铺展的水凝胶面积越大，器件内阻越小。导致器件的电流输出随着铺展水凝胶长度的增大而增大。
表1、器件不同位置下的元素分布
Figure BDA0004106595450000111
Figure BDA0004106595450000121
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种环境湿度发电器件，其特征在于，包括：
基底；
第一电极和第二电极，位于所述基底的两端；
纳米多孔材料层，位于所述基底的具有所述第一电极和第二电极的表面上；
水凝胶层，位于所述纳米多孔材料层一端。
2.根据权利要求1所述的环境湿度发电器件，其特征在于，所述第一电极和第二电极各自独立地选自惰性金属电极、碳基材料电极中的一种。
3.根据权利要求1所述的环境湿度发电器件，其特征在于，所述纳米多孔材料层的材料选自二氧化钛纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、氧化铝纳米颗粒、氧化铁纳米颗粒、氧化钴纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒、氧化锰纳米颗粒、氧化铜纳米颗粒中的一种。
4.根据权利要求1所述的环境湿度发电器件，其特征在于，所述水凝胶层为钴基水凝胶层。
5.根据权利要求1所述的环境湿度发电器件，其特征在于，所述第一电极和第二电极的厚度均为0.5-10μm。
6.根据权利要求1所述的环境湿度发电器件，其特征在于，所述纳米多孔材料层的厚度为2-20μm。
7.根据权利要求1所述的环境湿度发电器件，其特征在于，所述水凝胶层的厚度为0.5-5mm，所述水凝胶层的铺展面积为所述基底面积的0.2-0.5。
8.根据权利要求1所述的环境湿度发电器件，其特征在于，所述第一电极和第二电极均为多壁碳纳米管电极，所述纳米多孔材料层为二氧化钛纳米颗粒层，所述水凝胶层为钴基水凝胶层。
9.一种权利要求1-8任一项所述的环境湿度发电器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供基底；
在所述基底的两端制备第一电极和第二电极；
在具有所述第一电极和第二电极的基底表面上制备纳米多孔材料层；
在所述纳米多孔材料层的一端制备水凝胶层。
10.根据权利要求9所述的环境湿度发电器件的制备方法，其特征在于，所述制备纳米多孔材料层的方法选自红外涂敷法、喷涂法、刮涂法中的一种。
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