CN111211707A - 一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁的水伏器件制备方法 - Google Patents
一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁的水伏器件制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁的水伏器件制备方法。首先，将细菌纤维素与单一尺寸或者不同尺寸的羧基化四氧化三铁分散在溶剂中，得到细菌纤维素与羧基化四氧化三铁复合浆料；在基底上涂覆同种尺寸或者自下而上分别涂覆不同尺寸羧基化四氧化三铁与细菌纤维素复合浆料，干燥后得到一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的水伏器件。本发明所述方法制备的水伏器件不需要额外的能量输入，发电方式高度自发，受环境限制少，具备高的能量输出，并且能够长时间维持，适用于多种应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及水蒸发产电器件制备领域，尤其是一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁的水伏器件制备方法。
背景技术
水与能量密切相关，维持着地球系统的能量循环，生物体的温度平衡，是天然的吸能器、储能器、换能器和传能器。太阳辐射到达地表能量的近70％被水吸收，水在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦，比全人类年平均能量消耗功率高出3个数量级。水以热能、动能的形式存储所吸收的热量，更以蒸发、凝结、形云布雨、兴风作浪的形式，把存储的太阳能转化成机械能等多种形式的能量。传统的水能利用模式受自然条件的限制大，容易被地形、气候等外部因素所影响，大型设施设备的建造和使用容易导致生态破坏和成本提升。
纳米材料具有显著的量子效应和表面效应，可与各种形式的水发生耦合而输出显著的电信号，如石墨烯可通过双电层的边界运动将拖动和下落水滴的能量直接转化为电能、也可将海水波动能转化为电能。碳黑等纳米结构材料可通过大气环境下无所不在的水的自然蒸发，持续产生伏级的电能。这类直接转化水能为电能的现象称为“水伏效应”。水伏效应为全链条式捕获地球水循环的水能开辟了全新的方向，提升了水能利用能力。郭万林、曲良体、张助华、唐群委、周建新、周军等人在水伏科学与技术领域做出了开创性的研究。水伏效应的研究刚刚起步，需要开发应用环境多样化、能量转化高效、发电成本低廉的新型水伏材料与器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁的水伏器件制备方法。纤维对水、油都具有一种毛细作用，液体可以顺着纤维之间的间隙自行前进，细菌纤维素是不含任何杂质的天然纤维素，它具有精细的网络结构、较高的机械强度、较高的吸水、透水及透气性能，被认为是性能最好、使用价值最高的纤维素。纤维素膜具有高的机械强度、其表面和内部具有均匀的纳米级或者微米级微孔，孔径大小容易调节，可作为模板吸附或原位生成多种纳米粒子，由此制得复合膜。羧基修饰四氧化三铁磁性纳米微球后会形成羧基化四氧化三铁，羧基接触水后会电离出阴离子，当有水流过羧基化四氧化三铁微球时，因此表面将会形成双电层，在流动液体的带动下，阴离子将会在水流方向富集，形成离子浓度差，进而产生流动电压和流动电流。
本发明采用如下技术方案：
一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁的水伏器件制备方法，包括如下步骤：
(1)将细菌纤维素与单一尺寸或者不同尺寸的羧基化四氧化三铁分散在溶剂中，得到细菌纤维素与羧基化四氧化三铁复合浆料；
(2)在基底上设有上电极和下电极的一面，涂覆同种尺寸或者自下而上分别涂覆不同尺寸羧基化四氧化三铁与细菌纤维素复合浆料，干燥后得到一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的水伏器件。
步骤(1)中的细菌纤维素直径在10-100nm，长度为1-20μm。
步骤(1)中的羧基化四氧化三铁平均尺寸为50-400nm，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁质量比为1∶5-1∶50。
步骤(1)中的溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁总质量与溶剂的质量比为3∶7-7∶3。
步骤(2)中的基底为柔性基底，柔性基底为涤纶树脂膜、聚酰亚胺膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜或铁氟龙胶带。
步骤(2)中的上电极和下电极的电极材料为无机导电材料或金属导电材料，上电极与下电极的电极间隔为1-10cm。
步骤(2)中的干燥时间为1s-1800s，干燥温度为0-80℃。
步骤(2)中的细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层厚度为0.1-50μm。
本发明具有如下优势：
(1)本发明所述方法制备的水伏器件能够依靠细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的毛细作用和水蒸发自发产生电能，不需要额外的能量输入，发电方式高度自发，受环境限制少，具备高的能量输出，并且能够长时间维持，适用于多种应用场景。
(2)本发明所述方法采用细菌纤维素与羧基化四氧化三铁混合组成涂层，细菌纤维素构造的超精细网络结构增强了涂层的吸水性能，提升了毛细作用距离，提高了涂层的结构稳定性和力学性能，细菌纤维素是天然的纳米级材料，具有高抗张强度和杨氏模量，是合成纤维素的4倍。
(3)羧基化四氧化三铁材料可以填充于细菌纤维素空隙之间，自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，比表面积与颗粒尺寸呈现负相关关系，导致底部电离出的较为自由的离子浓度大于顶部，促使底部离子向上扩散，与水流的带动作用起协同作用，可提供离子扩散的另外一种动力，进一步提升输出电压。
(4)本发明所述方法制备工艺简单，所用材料易得，对设备的要求较低，大规模生产。
附图说明
图1为本发明方法所述水伏器件的结构示意图。
图2为本发明方法所述方法水伏发电的原理示意图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)将粒径平均为100nm的羧基化四氧化三铁和直径在20nm，长度为5-10μm的细菌纤维素分散在乙醇中，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁质量比为1∶10，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁的总质量与乙醇的质量比为7∶3，超声30min，得到细菌纤维素与羧基化四氧化三铁复合浆料。
(2)在基底涤纶树脂膜上涂覆上两个碳电极，电极宽度为1cm，电极长度为20cm，上电极和下电极的间隔为5cm。
(3)待电极干燥后，在基底中电极所在面上刷涂上细菌纤维素与羧基化四氧化三铁复合浆料，待乙醇挥发完全，得到一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的水伏器件，其中，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的厚度为1μm。
(4)将水伏器件的下电极以与液面的夹角60°置于去离子水中，下电极全部浸没在水中，上电极与液体不接触，随着细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的毛细作用和水的蒸发，器件产生持续的电压和电流。
实施例2
(1)将粒径平均为100nm的羧基化四氧化三铁和直径在20nm，长度为5-10μm的细菌纤维素分散在乙醇中，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁质量比为1∶5，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁的总质量与乙醇的质量比为1∶1，超声30min，得到细菌纤维素与羧基化四氧化三铁复合浆料。
(2)在基底涤纶树脂膜上涂覆上两个碳电极，电极宽度为1cm，电极长度为20cm，上电极和下电极的间隔为5cm。
(3)待电极干燥后，在基底中电极所在面上刷涂上细菌纤维素与羧基化四氧化三铁复合浆料，待乙醇挥发完全，得到一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的水伏器件，其中，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的厚度为1μm。
(4)将水伏器件的下电极以与液面的夹角90°置于去离子水中，下电极全部浸没在水中，上电极与液体不接触，随着细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的毛细作用和水的蒸发，器件产生持续的电压和电流。
实施例3
(1)将粒径平均为50nm、100nm、200nm、400nm的羧基化四氧化三铁纳米颗粒分别和直径为20nm，长度为5μm的细菌纤维素分散在乙醇中，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁质量比为1∶5，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁的总质量与乙醇的质量比为1∶1，超声30min，得到细菌纤维素与羧基化四氧化三铁复合浆料。
(2)在基底涤纶树脂膜上涂覆上两个碳电极，电极宽度为1cm，电极长度为20cm，上电极和下电极的间隔为4cm，待电极干燥后，自下而上分别涂覆不同尺寸的细菌纤维素与羧基化四氧化三铁复合浆料，底部为小尺寸纳米颗粒，自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，依次涂覆下一区域，每个区域宽度为1cm。
(3)待乙醇挥发完全，得到一种细菌纤维素与羧基化四氧化三铁基水伏器件，涂层的厚度为5μm。
(4)将水伏器件的下电极以与液面的夹角90°置于去离子水中，下电极全部浸没在水中，上电极与液体不接触，随着细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的毛细作用和水的蒸发，器件产生持续的电压和电流。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (8)
1.一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁的水伏器件制备方法，包括如下步骤：
(1)将细菌纤维素与单一尺寸或者不同尺寸的羧基化四氧化三铁分散在溶剂中，得到细菌纤维素与羧基化四氧化三铁复合浆料；
(2)在基底上设有上电极和下电极的一面，涂覆同种尺寸或者自下而上分别涂覆不同尺寸羧基化四氧化三铁与细菌纤维素复合浆料，干燥后得到一种基于细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层的水伏器件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的细菌纤维素直径在10-100nm，长度为1-20μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的羧基化四氧化三铁平均尺寸为50-400nm，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁质量比为1∶5-1∶50。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，细菌纤维素与羧基化四氧化三铁总质量与溶剂的质量比为3∶7-7∶3。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的基底为柔性基底，柔性基底为涤纶树脂膜、聚酰亚胺膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜或铁氟龙胶带。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的上电极和下电极的电极材料为无机导电材料或金属导电材料，上电极与下电极的电极间隔为1-10cm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的干燥时间为1s-1800s，干燥温度为0-80℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的细菌纤维素与羧基化四氧化三铁涂层厚度为0.1-50μm。
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| CN116833078A (zh) * | 2023-05-30 | 2023-10-03 | 武汉科技大学 | 一种液滴体量监测装置及其制备方法 |
| CN117165138A (zh) * | 2023-08-03 | 2023-12-05 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 超强韧的柔性水伏功能层及其制作方法与应用 |
| CN117188155A (zh) * | 2023-09-12 | 2023-12-08 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 柔性强韧的水伏薄膜及其制备方法与应用 |
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2020
- 2020-01-09 CN CN202010049824.3A patent/CN111211707A/zh not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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