一种收集流动液体能量的水凝胶发电器件及制备方法与流程

1.本发明涉及流动液体能量收集领域，具体涉及一种收集流动液体能量的水凝胶发电器件及制备方法。


背景技术：

2.随着传统能源技术由于其自身体量限制接近饱和，同时其带来的环境污染问题也日趋严重，因此开发绿色能源技术迫在眉睫。近年来，随着微纳制造技术的发展，收集环境中的各种微能源成为极具吸引力的研究方向，催生了包括光伏发电、压电发电、摩擦发电、浓差电池和水能发电等一系列新型能量转换技术。
3.本发明主要涉及水能发电领域，在人类历史上，对水能的利用多是宏观尺度上通过将其机械能转换为其他能量来实现的，如水流推动的轮机、水蒸气推动的发电机都是将水的势能或动能根据经典力学或电磁感应转换为有用的机械能或者电能。这需要复杂的机械结构，甚至极大的改变地貌，成本巨大，同时又可能带来其他环境问题。这令传统意义上利用水能的发电技术进入了发展瓶颈。
4.本发明中，将水蒸发能量直接转换为电能，不是通过传统机械能在宏观尺度转换来实现的，而是利用微观尺度下的固
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液界面作用来收集能量，其基本原理为流动电势(streaming potential)现象。目前利用液体波动或者流动能发电的主要途径是基于多孔材料，如纳米多孔碳颗粒，硅纳米线，金属有机框架材料，氧化石墨烯，二维材料mxene，蛋白质纳米线与生物纳米纤维材料等。该类型器件主要有两大问题：(1)器件的制备过程中会产生有毒物质，对生态环境会有影响，不利于绿色发展；(2)大多数水伏发电器件所得到的电流输出较小或者不能持续发电，发电效率低；(3)发电器件的制备流程复杂，需要贵重的原材料，制备成本较高。(4)器件的发电过程需要额外施加作用力。


技术实现要素：

5.为解决该问题，我们发明了一种可收集流动液体能量的水凝胶纳米发电器件。该水凝胶纳米发电器件用涂覆有碳纳米管的金属铂网作为电极，用螺栓及压板将制备好的水凝胶固定在电极之间，通过使用这种原材料资源丰富，制造成本低，工艺易于扩展的器件，可以将周围环境中的热能转化为电能，组装而成的器件在去离子水中可以产生持续稳定的电压和电流。
6.本发明是以如下技术方案实现的：
7.一种收集流动液体能量的水凝胶发电器件，包括发电水凝胶、经碳纳米管涂覆的铂网电极，所述发电水凝胶位于铂网电极之间。
8.进一步地，发电水凝胶包括聚乙烯醇(pva)基底和聚电解质。
9.进一步地，经碳纳米管涂覆的铂网电极包括金属铂网和碳纳米管颗粒，所述碳纳米管颗粒均匀涂覆在金属铂网上。
10.另一方面，本发明涉及一种收集流动液体能量的水凝胶纳米发电器件的制备方
法，主要包括以下步骤：s1、制备发电水凝胶；s2、制备网格电极；s3、将发电水凝胶与网格电极组装成发电器件。
11.进一步地，所述步骤s1中，以聚乙烯醇(pva)为基底加入聚电解质制得发电水凝胶。
12.进一步地，所述步骤s2中，在金属铂网上均匀涂覆碳纳米管颗粒制得网格电极。
13.进一步地，所述步骤s1中，以聚乙烯醇(pva)为基底加入聚苯乙烯磺酸(pssa)，配置10％wt聚乙烯醇(pva)、2％wt～5％wt聚苯乙烯磺酸(pssa)的水溶液，在85℃下油浴搅拌4h，将冷却后的混合溶液缓慢倒入玻璃板与硅胶制成的模具中，使用液氮冷冻循环3次以上并用去离子水充分浸泡清洗，制成发电水凝胶。
14.进一步地，所述步骤s2中，首先制备碳纳米管墨水，将碳纳米管放入研钵，用杵将碳纳米管进一步捣碎研磨，称取1mg捣碎好的碳纳米管加入950μl乙醇与50μl全氟化树脂的混合溶液，使用细胞粉碎机处理10分钟后制得分散均匀的碳纳米管墨水；然后将制得的碳纳米管均匀覆盖在经等离子溅射处理处理过的金属铂网上，自然风干。
15.进一步地，所述步骤s3中，用压板将制备好的发电水凝胶固定在两块网格电极之间。
16.本发明的机理是：在外加的作用力下，流体在狭小的管道中从高压力处往低压力处流动，管道内壁带负电荷的基团会诱导部分流体产生正电荷，正电荷随着流体的流动在一端聚集，不同浓度的正电荷在管道进出口处形成较强的电场力，而当电场力与施加的作用力达到平衡时，流体就会在管道中持续流动且产生稳定的电压电流信号。在本发明中，水凝胶内部的微通道就相当于毛细管，水蒸发和毛细管力可视为外加作用力，水从水凝胶下表面流经到上表面时，会产生持续稳定的电压和电流。
17.本专利的目的是发明一种收集流动液体能量的水凝胶纳米发电器件，利用水凝胶的各向异性的三维连续微通道结构，基于流动电势理论通过水蒸发获取较大的流动电流，实现将周围环境中的热能转化为电能。
18.凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，如不更换基底加入其它聚电解质制得发电水凝胶或使用碳纳米管涂覆其它金属电极等，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
附图说明
19.图1是本发明水凝胶的制备示意图；
20.图2是本发明本发明使用电极的制备示意图；
21.图3是本发明器件的组装示意图；
22.图4是本发明器件的扫描电镜图；
23.图5为本发明所获得的输出电压的数据图；
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
25.实施例一
26.如图1所示，制备水凝胶。配置10％wt聚乙烯醇(pva)的水溶液，在85℃下油浴搅拌
4h，使其充分溶解混合。将冷却后的混合溶液缓慢倒入玻璃板与硅胶制成的模具中，使用液氮冷冻循环3次以上，并用去离子水充分浸泡清洗，制成力学性能较好的发电水凝胶。
27.如图2所示，制备网格电极。首先制备碳纳米管墨水，将碳纳米管放入研钵，用杵将碳纳米管进一步捣碎研磨，称取1mg捣碎好的碳纳米管加入950μl乙醇与50μl nafion(全氟化树脂)的混合溶液，使用细胞粉碎机处理10分钟后制得分散均匀的碳纳米管墨水。然后将制得的碳纳米管均匀覆盖在经等离子溅射处理(plasma)处理过的金属铂网上，自然风干。
28.如图3所示，完成器件的组装。用螺栓及压板将制备好的水凝胶固定在两块经碳纳米管涂覆处理的铂网电极之间。
29.水凝胶具有良好的三维孔道结构，如图4所示，水凝胶微通道孔直径为500nm
‑
10μm。
30.将组装好的发电器件放置于装有去离子水的器皿中，利用铂丝将器件进行串并联连接，即可获得稳定的电压和电流输出，如图5所示。
31.实施例二
32.如图1所示，制备水凝胶。以聚乙烯醇(pva)为基底添加聚苯乙烯磺酸(pssa)，配置2％wt pssa的水溶液，在85℃下油浴搅拌4h，使其充分溶解混合。将冷却后的混合溶液缓慢倒入玻璃板与硅胶制成的模具中，使用液氮冷冻循环3次以上，并用去离子水充分浸泡清洗，制成力学性能较好的发电水凝胶。
33.如图2所示，制备网格电极。首先制备碳纳米管墨水，将碳纳米管放入研钵，用杵将碳纳米管进一步捣碎研磨，称取1mg捣碎好的碳纳米管加入950μl乙醇与50μl nafion(全氟化树脂)的混合溶液，使用细胞粉碎机处理10分钟后制得分散均匀的碳纳米管墨水。然后将制得的碳纳米管均匀覆盖在经等离子溅射处理(plasma)处理过的金属铂网上，自然风干。
34.如图3所示，完成器件的组装。用螺栓及压板将制备好的水凝胶固定在两块经碳纳米管涂覆处理的铂网电极之间。
35.水凝胶具有良好的三维孔道结构，如图4所示，水凝胶微通道孔直径为500nm
‑
10μm。
36.将组装好的发电器件放置于装有去离子水的器皿中，利用铂丝将器件进行串并联连接，即可获得稳定的电压和电流输出，如图5所示。
37.实施例三
38.如图1所示，制备水凝胶。以聚乙烯醇(pva)为基底添加聚苯乙烯磺酸钠(pss)，配置5％wt pss的水溶液，在85℃下油浴搅拌4h，使其充分溶解混合。将冷却后的混合溶液缓慢倒入玻璃板与硅胶制成的模具中，使用液氮冷冻循环3次以上，并用去离子水充分浸泡清洗，制成力学性能较好的发电水凝胶。
39.如图2所示，制备网格电极。首先制备碳纳米管墨水，将碳纳米管放入研钵，用杵将碳纳米管进一步捣碎研磨，称取1mg捣碎好的碳纳米管加入950μl乙醇与50μl nafion(全氟化树脂)的混合溶液，使用细胞粉碎机处理10分钟后制得分散均匀的碳纳米管墨水。然后将制得的碳纳米管均匀覆盖在经等离子溅射处理(plasma)处理过的金属铂网上，自然风干。
40.如图3所示，完成器件的组装。用螺栓及压板将制备好的水凝胶固定在两块经碳纳米管涂覆处理的铂网电极之间。
41.水凝胶具有良好的三维孔道结构，如图4所示，水凝胶微通道孔直径为500nm
‑
10μ
m。
42.将组装好的发电器件放置于装有去离子水的器皿中，利用铂丝将器件进行串并联连接，即可获得稳定的电压和电流输出，如图5所示。