一种Au@CNT/PVDF热释电复合材料及其应用的制作方法

一种au@cnt/pvdf热释电复合材料及其应用
技术领域
1.本发明属于柔性器件应用技术领域，具体涉及一种au@cnt/pvdf热释电复合材料及其应用。


背景技术：

2.众所周知，太阳光是一种清洁绿色、高效、丰富的能源，因而利用太阳光照射引起的温度变化作为热源，基于柔性高分子聚合物聚偏二氟乙烯（pvdf）薄膜制备一种光热型的热释电纳米发电机（s-peng）有望于投入实际应用。这种s-peng是一种非接触式收集能量的技术。其通过太阳光照射引起的温度变化作为热源，能够实现波动的光热到热释电的转换。然而，室外阳光连续辐照时的温度波动通常较小，因此，仅仅依靠太阳光很难获得高效热释电输出。为了提高其热释电输出，目前的研究多是需要机械装置来屏蔽太阳光以获得较大的温度振荡速率，这将造成额外的能源浪费，正因为其输出功率低、装置复杂且成本过高使得其很难大规模的投入实际应用。


技术实现要素：

3.为了克服现有的s-peng性能低，和实际操作条件不便等不足, 本发明提供一种au@cnt/pvdf热释电复合材料及其应用。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种au@cnt/pvdf热释电复合材料，它由au纳米粒子原位复合碳纳米管光热材料层和极化pvdf层构成。
5.进一步地，所述au纳米粒子原位复合碳纳米管光热材料由cnt与haucl4·
4h2o进行氧化还原反应制备得到。
6.进一步地，所述au纳米粒子原位复合碳纳米管光热材料层通过以下方法制备：（1）将cnt与haucl4·
4h2o进行氧化还原反应，制备得到au@cnt光热材料；（2）将au@cnt光热材料分散于乙醇溶液中，然后通过抽滤的方式在滤纸上形成一层au@cnt层并在常温下干燥，得到au@cnt光热材料层。
7.进一步地，所述滤纸孔径为0.45μm，所形成的au@cnt光热材料层面密度为1.5 mg/cm2。
8.进一步地，所述极化pvdf表面镀铝电极。
9.au@cnt是一种通过多壁碳纳米管与四氯金酸溶液氧化还原反应制备的材料。其中，因为cnt中存在o=c、c-o等含氧官能团，所以au
3 可以通过电流置换和氧化还原反应在 cnt表面自发还原，金纳米粒子得到成功引入。金纳米粒子作为一种等离子体金属，其具有表面等离子体共振效应，在太阳辐射下可以产生强烈热量，该纳米粒子的引入会与碳基材料cnt的光热效应产生协同效应，从而促进了au@cnt层的光热吸收性能。本发明的au@cnt光热材料在一个太阳下照射30s时，其光热温度可达79.6 ℃，比还原氧化石墨烯和cnt分别高20.2和9.5℃。
10.热释电层是极化的pvdf薄膜。这类高分子聚合物具有较高的热释电系数（p = 25 μc m-2 k-1
），并且，薄膜表面镀铝电极，其与表面镀银电极pvdf薄膜相比具有更好的稳定性。此外，其表面电阻低（2 ω），导电性优异。
11.将au@cnt光热材料与极化pvdf复合后（本发明的au@cnt/pvdf热释电复合材料）形成可有效捕获太阳能的热释电发电材料，其开路电压和短路电流密度分别可达96v和303 μa/m2，比基于还原氧化石墨烯与cnt的开路电压高11v和6v，以及短路电流密度高75μa/m2和30μa/m2。
12.作为本发明的另一方面，本发明的au@cnt/pvdf热释电复合材料可以用于热释电发电机，特别是光热型热释电发电机。
13.一种叶片式热释电发电器件，将本发明的au@cnt/pvdf热释电复合材料与风车叶片固定，得到au@cnt/pvdf叶片式热释电发电器件，au@cnt作为光热转换的关键材料，极化的pvdf作为将光热转换为热释电的核心材料。
14.通过将该高性能热释电材料巧妙地与风车叶片连接的设计得到了一种叶片式热释电发电器件，这种功能器件可合理利用风车叶片的转动制造温度波动（约14 ℃），无需外加光强调节装置下实现光-热-电的转换，其最大输出功率高达29.2 mw/m2，并可用于电容器即时有效充电。此外，该器件还可收集环境中不同温度空气流动和雨水冲刷的能量等。
15.与现有技术相比，本发明的优点是：1、本发明的au@cnt/pvdf热释电复合材料可有效捕获太阳能，其开路电压和短路电流密度分别可达96v和303 μa/m2，比基于还原氧化石墨烯与cnt的开路电压高11v和6v，以及短路电流密度高75μa/m2和30μa/m2。
16.2、采用本发明的热释电复合材料制备的叶片式热释电发电器件可合理利用风车叶片的转动制造温度波动，无需外加光强调节装置下实现光-热-电的转换，其最大输出功率高达29.2 mw/m2，发明所需的材料均为柔性，使所得到的au@cnt/pvdf热释电材料可以固定在风车上制备成叶片式热释电发电器件，且该发电器件在工作中通过风车的转动得到波动式的温度，而无需额外的机械装置去调控温度，其可以大规模的应用于日常生活。
17.3、本发明制备工艺简单过程可控、环境友好、且成本低廉可大规模投入实际应用。
附图说明
18.图1为本发明制备au@cnt/pvdf叶片式热释电发电器件的示意图及其发电性能展示；图2为本发明所制备的器件可以用于电容器的即时有效充电的测试情况；图3为本发明所制备的器件用于收集环境中不同温度空气流动和雨水冲刷的能量。
具体实施方式
19.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为从商业渠道购买得到的。
20.下面将结合附图对本发明作进一步的说明：实施例1 au@cnt/pvdf热释电复合材料的制备
au@cnt/pvdf热释电复合材料由au纳米粒子原位复合碳纳米管光热材料层和极化pvdf层构成。
21.（1）称取6 mg的cnt粉末并超声分散于10 ml去离子水中，加入125
µ
l的四氯酸金溶液，黑暗条件下搅拌反应24h，将反应后的溶液离心洗涤3-4次，并进行冷冻干燥，得到au@cnt光热材料。
22.（2）将6 mgau@cnt分散于6 ml的乙醇溶液中，并均匀地滴至4 cm2的滤纸表面，进行抽滤，并在室温下干燥3 h，得到au@cnt光热材料层。本实施例中，滤纸孔径为0.45μm，控制所形成的au@cnt光热材料层面密度为1.5 mg/cm2。
23.（3）将au@cnt光热材料层从滤纸上转移至极化pvdf薄膜表面固定，pvdf薄膜表面镀有铝电极，即得au@cnt/pvdf热释电复合材料。
24.将制备的au@cnt/pvdf热释电复合材料置于200、100、50和33.4mhz 的不同切换频率的光照(0.1 w/cm
‑ꢀ2)下，实验中采用keithley 2450型数字源表对高性能热释电材料的开路电压与短路电流输出进行监测，具体方法为利用导线将发电器件与数字源表连接起来，数字源表通过usb接口连接电脑。在50 mhz 的光照切换频率下，其性能输出达到稳定，其开路电压、短路电流密度分别可达96v和303 μa/m2，比基于还原氧化石墨烯与cnt的开路电压高11v和6v，以及短路电流密度高75μa/m2和30μa/m2。
25.实施例2 叶片式热释电发电器件的制备将本发明的au@cnt/pvdf热释电复合材料与风车叶片固定，得到au@cnt/pvdf叶片式热释电发电器件。
26.采用本发明的au@cnt/pvdf热释电复合材料制备的叶片式热释电发电器件可合理利用风车叶片的转动制造温度波动，无需外加光强调节装置下实现光-热-电的转换。实验中采用keithley 2450型数字源表对高性能热释电材料的开路电压与短路电流输出进行监测，具体方法为利用导线将发电器件与数字源表连接起来，数字源表通过usb接口连接电脑。当环境温度为30℃且风速为3.6m/s时，风车叶片进行转动可产生高达29.2 mw/m2的输出功率。
27.应用例1将au@cnt/pvdf叶片式热释电发电器件放置在户外，有阳光照射时，借由风车转动时产生的温度波动可以在无需外加光强调节装置下实现光-热-电的转换，利用整流器对发电器件所产生的交流电进行整流能够对电容器进行即时有效的充电。其示意图如图2中（a）所示。充电过程采用keithley 2450型数字源表进行监测，具体方法为利用导线将发电器件与数字源表连接起来，数字源表通过usb接口连接电脑。得出结论：容量为4.7μf的电容器可在5 min内充电至5 v，如图2中（b）所示，其储存的电能后续可以为led灯泡供电。
28.应用例2将au@cnt/pvdf叶片式热释电发电器件放置在户外，在特殊天气，如吹风下雨时，风、 雨将带走风车叶片表面的热量，其引起的温度波动能够实现热释电的转换。在环境温度为24 ℃、风速为3.2 m/s的户外环境下，如图3(a)所示，风的温度在32 ℃-38 ℃之间波动时，采用keithley 2450型数字源表进行监测发电器件的开路电压输出，具体方法为利用导线将发电器件与数字源表连接起来，数字源表通过usb接口连接电脑，采集100 s的实时开路电压输出，得出结论：当风的温度达到38 ℃时，其开路电压最高可达43 v，所得结果如
图3（b）所示；同样的，在环境温度为24 ℃，流过叶片表面的雨水的体积为2 ml，雨水的温度在28-35 ℃之间波动时，采用keithley 2450型数字源表进行监测叶片式热释电发电器件的开路电压，具体方法为利用导线将发电器件与数字源表连接起来，数字源表通过usb接口连接电脑，采集100 s的实时开路电压输出，得出结论：当雨水的温度达到35 ℃时，其开路电压最高可达18v，所得结果如图3（d）所示。上述结果表明该au@cnt/pvdf叶片式热释电发电器件具有稳定且较高的输出，有望于投入大规模的实际应用。