CN111600511A - 基于一维羧基化碳材料的水伏与湿气发电器件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于一维羧基化碳材料的水伏与湿气发电器件制备方法。首先，将不同尺寸的一维羧基化碳材料分散在溶剂中得到浆料；然后，在基底上自下而上分别涂覆不同尺寸一维羧基化碳材料浆料，自下而上一维羧基化碳材料尺寸逐步增加，干燥后得到基于一维羧基化碳材料的水伏与湿气发电器件。本发明所述方法制备的器件能够依靠羧基化碳材料涂层的毛细作用和水蒸发自发产生电能，也可吸收湿气发电，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与湿气发电器件制备领域，尤其是基于一维羧基化碳材料的水伏与湿气发电器件制备方法。
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。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。
湿气发电与水伏发电材料出现或将开启能源领域的一个新研究方向。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、周军等人在湿气发电与水伏科学与技术领域做出了开创性的研究。水伏效应与湿气发电的研究刚刚起步，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材料与器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于一维羧基化碳材料的水伏与湿气发电器件制备方法。一维碳材料纤维其表面和内部具有纳米级或者微米级微孔，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。羧基化碳材料纤维膜具有高的机械强度、良好的亲水性和耐有机溶剂性，在去离子水或中性水溶液中其表面会电离出阳离子，使表面带有负电荷，有水从孔隙通道中流过时，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。另外，选用不同尺寸的羧基化碳材料，自下而上分别涂覆于水伏器件不同区域，由于比表面积的差异，形成离子差浓度，在水伏发电过程中可提供离子扩散的另外一种动力，进一步提升输出电压。在湿度较大的环境中，器件可以吸收环境中的水分，水分诱发羧基化碳材料纤维表面正负离子对的分离，由于比表面积的差异形成离子差浓度，从而在外电路中产生电能，这种产电方式绿色环保且稳定，可用于湿度传感器或者湿气发电。
本发明采用如下技术方案：
基于一维羧基化碳材料的水伏与湿气发电器件制备方法，包括如下步骤：
(1)将不同尺寸的一维羧基化碳材料分散在溶剂中，得到一维羧基化碳材料浆料；
(2)在基底上设有上电极和下电极的一面，自下而上分别涂覆不同尺寸一维羧基化碳材料浆料，底部为小尺寸一维羧基化碳材料，自下而上一维羧基化碳材料尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，依次涂覆下一区域，干燥后得到基于一维羧基化碳材料的水伏与湿气发电器件。
步骤(1)中的一维羧基化碳材料包括羧基化碳纳米管、羧基化碳纤维、羧基化细菌纤维素，一维羧基化碳材料的直径为1-500nm，长度为100nm-500μm。
步骤(1)中的溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，一维羧基化碳材料与溶剂的质量比为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)中的一维羧基化碳材料涂层厚度为0.5-500μm。
步骤(2)中的湿气发电器件运行的环境湿度应大于70％。
本发明具有如下优势：
(1)本发明所述方法制备的器件能够依靠一维羧基化碳材料涂层的毛细作用和水蒸发自发产生电能，也可以吸收环境中的水分发电。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的一维羧基化碳材料纤维能够增加涂层的力学性能和柔韧性，其表面可电离出阳离子，一维羧基化碳材料自下而上纳米尺寸逐步增加，比表面积呈现负相关关系，导致底部电离出离子浓度大于顶部，促使底部离子向上扩散，与水流的带动作用起协同作用。
(3)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为本发明方法所述器件的结构示意图。
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)将平均直径为5nm，长度为200nm，直径为10nm，长度为500nm，直径为50nm，长度为2μm，直径为100nm，长度为10μm的羧基化碳纤维分别分散在乙醇中，羧基化碳纤维质量与乙醇的质量比为7∶3，超声20min，得到羧基化碳纤维浆料。
(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。
(3)自下而上分别涂覆不同尺寸羧基化碳纤维浆料，底部为小尺寸羧基化碳纤维，自下而上羧基化碳纤维尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，依次涂覆下一区域，干燥后得到一种基于羧基化碳纤维的水伏与湿气发电器件，涂层的厚度为100μm。
(4)将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，随着羧基化碳纤维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)将平均直径为5nm，长度为200nm，直径为10nm，长度为500nm，直径为50nm，长度为2μm，直径为100nm，长度为10μm的羧基化碳纤维分别分散在乙醇中，羧基化碳纤维质量与乙醇的质量比为7∶3，超声20min，得到羧基化碳纤维浆料。
(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。
(3)自下而上分别涂覆不同尺寸羧基化碳纤维浆料，底部为小尺寸羧基化碳纤维，自下而上羧基化碳纤维尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，依次涂覆下一区域，干燥后得到一种基于羧基化碳纤维的水伏与湿气发电器件，涂层的厚度为100μm。
(4)将器件置于湿度为75％的环境中，随着氧化铝纤维涂层的对水的吸收，器件产生电压和电流。
实施例3
(1)将平均直径为5nm，长度为200nm，直径为10nm，长度为500nm，直径为50nm，长度为2μm，直径为100nm，长度为10μm的羧基化碳纳米管分别分散在乙醇中，羧基化碳纳米管质量与乙醇的质量比为7∶3，超声20min，得到羧基化碳纤维浆料。
(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。
(3)自下而上分别涂覆不同尺寸羧基化碳纳米管浆料，底部为小尺寸羧基化碳纳米管，自下而上羧基化碳纳米管尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，依次涂覆下一区域，干燥后得到一种基于羧基化碳纳米管的水伏与湿气发电器件，涂层的厚度为100μm。
(4)将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，随着羧基化碳纳米管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4
(1)将平均直径为5nm，长度为200nm，直径为10nm，长度为500nm，直径为50nm，长度为2μm，直径为100nm，长度为10μm的羧基化细菌纤维素分别分散在乙醇中，羧基化细菌纤维素质量与乙醇的质量比为7∶3，超声20min，得到羧基化细菌纤维素浆料。
(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。
(3)自下而上分别涂覆不同尺寸羧基化细菌纤维素浆料，底部为小尺寸羧基化碳纳米管，自下而上羧基化细菌纤维素尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，依次涂覆下一区域，干燥后得到一种基于羧基化细菌纤维素的水伏与湿气发电器件，涂层的厚度为100μm。
(4)将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，随着羧基化细菌纤维素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.基于一维羧基化碳材料的水伏与湿气发电器件制备方法，包括如下步骤：
(1)将不同尺寸的一维羧基化碳材料分散在溶剂中，得到一维羧基化碳材料浆料；
(2)在基底上设有上电极和下电极的一面，自下而上分别涂覆不同尺寸一维羧基化碳材料浆料，底部为小尺寸一维羧基化碳材料，自下而上一维羧基化碳材料尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，依次涂覆下一区域，干燥后得到基于一维羧基化碳材料的水伏与湿气发电器件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的一维羧基化碳材料包括羧基化碳纳米管、羧基化碳纤维、羧基化细菌纤维素，一维羧基化碳材料的直径为1-500nm，长度为100nm-500μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，一维羧基化碳材料与溶剂的质量比为3∶7-7∶3。
4.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。
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。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的干燥时间为1s-1800s，干燥温度为0-80℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的一维羧基化碳材料涂层厚度为0.5-500μm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的湿气发电器件运行的环境湿度应大于70％。
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