[发明专利]基于一维羧基化碳材料的水伏与湿气发电器件制备方法

说明书

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。

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。