一种Janus水伏发电材料及其制备方法和应用与流程

一种janus水伏发电材料及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及新能源材料技术领域，具体涉及一种janus水伏发电材料，该材料的制备方法，以及该材料在水伏发电器件中的应用。


背景技术：

2.随着传统化石能源的日渐枯竭及其产生的环境污染，不断开发新的可再生能源符合可持续发展战略思想和生态文明建设，对于应对未来的能源危机、环境危机和发展危机有着重要的研究价值和意义。同时，面对碳达峰、碳中和目标，更需要提高能源效率，构建以新能源为主体的新型电力系统。水伏发电材料作为一种新兴的能源材料，能够将低品位环境热能自发转化为高品位电能，具有发电驱动方式简单、无额外部件、无污染等诸多优点，是国内外研究的热点。
3.其中，基于湿气诱导的水伏发电材料得到了广泛的关注，其发电原理为潮湿空气与纳米材料接触时的化学势能向电势能的转化。根据实现湿气发电的两个必要条件，即材料表面可产生自由移动离子的功能官能团与材料内部的离子浓度差，目前主流的制备策略主要有两类。第一类是制备成分均一的水伏发电材料，这种技术的优点是制备方法相对简单，但存在以下缺点：1、由于材料内部成分均一，因此实际使用过程中需要定向的湿度扩散，操作难度大，使用场景受限；2、在持续的湿度环境下，材料内部的浓度差会很快消失，难以长期使用。第二类策略则是改变材料内部组成，使其自然存在官能团浓度梯度，这种技术的优点是在湿度均一的环境中便可以持续发电，但存在以下缺点：1、目前构建浓度梯度的制备方法相对复杂，例如电化学极化技术、等离子体处理技术、激光修饰还原技术等；2、所用的材料成本昂贵，大多为氧化石墨烯等无机材料或nafion等高分子材料。上述缺点限制了该类材料的应用。
4.因此，亟需发展一种制备方法简单，成本低，可以持续进行湿气诱导水伏发电的材料制备策略，以提高材料的发电性能与稳定性，扩展应用领域，为其进一步实现实际应用奠定基础。
5.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种janus水伏发电材料及其制备方法。本发明所述方法以碳材料为原料，结合温和的化学还原方法和简易的冻干方法，通过冷压的方式直接制备出上下组分不同的“a and b”型janus水伏发电材料。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.本发明涉及一种janus水伏发电材料，所述材料通过将氧化性多孔碳材料与化学还原后的氧化性多孔碳材料，即还原性多孔碳材料叠放后压片得到。
9.优选地，所述氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料的质量比为(1～10):(1～10)。
10.本发明还涉及所述janus水伏发电材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
11.(1)制备碳材料分散液
12.将氧化碳材料超声分散在水中，得到碳材料分散液；
13.优选地，所述氧化碳材料为氧化石墨粉末或氧化石墨烯。
14.优选地，所述碳材料分散液中，氧化碳材料的质量浓度为2～5mg/ml。
15.(2)化学还原碳材料分散液
16.将所述碳材料分散液分为a和b两部分，搅拌条件下向b部分碳材料分散液中加入盐酸多巴胺和三羟甲基氨基甲烷，得到还原碳材料分散液；
17.其中，盐酸多巴胺作为还原剂，在自聚合的过程中可以将氧化碳材料进行化学还原。三羟甲基氨基甲烷作为缓冲溶液，能够提供多巴胺聚合所需的反应环境，保证多巴胺的自聚合。
18.优选地，所述a部分与b部分的体积比为(1～10):(1～10)。
19.在本发明的一个实施例中，将盐酸多巴胺缓慢加入搅拌中的b部分碳材料分散液中，再向分散液中滴加三羟甲基氨基甲烷水溶液，搅拌均匀后将分散液静置，得到还原碳材料分散液。
20.优选地，所述盐酸多巴胺在b部分碳材料分散液中的质量浓度为0.5～1.5mg/ml，所述三羟甲基氨基甲烷在b部分碳材料分散液中的质量浓度为5～10mg/ml。
21.所述多巴胺还原方法仅为实施例中的一种，其他化学还原方式如氨水还原、vc还原、气体还原等也在本发明的保护范围内。
22.(3)冷冻干燥分散液
23.将所述a部分碳材料分散液与b部分制备得到的还原碳材料分散液分别进行冻干，得到氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料；
24.优选地，所述冻干在冷冻干燥机中进行，冻干温度为-50℃，时间为40～50h。其中a部分碳材料分散液冻干后得到氧化性多孔碳材料，还原碳材料分散液冻干后得到还原性多孔碳材料。
25.(4)冷压制备janus水伏发电材料
26.将所述氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料叠放进行压片，得到所述janus水伏发电材料。
27.优选地，所述压片在压片机中进行，施加的压力为30～60mpa，时间为10～30s。
28.本发明还涉及所述janus水伏发电材料在水伏发电器件中的应用。其具有稳定的输出电压，可以在小型自供电器件中使用。
29.本发明的有益效果：
30.本发明提供了一种janus水伏发电材料的制备方法，其采用“还原-冻干-压片”三步法，首先配制碳材料分散液，通过多巴胺将部分分散液进行化学还原，另一部分碳材料分散液则不做处理，之后分别在冷冻干燥机中进行冻干，最后将两种碳材料叠放后压片得到janus水伏发电材料。本发明以成本低的碳材料(如氧化石墨)为原材料，减少了制备成本；采用温和的化学还原方式，避免了复杂的制备手段；压片法制备出的材料本身具有官能团浓度梯度，解决了难以实现持续发电的问题。
31.本发明具有材料与设备成本低、流程简易等诸多优点，可以实现湿气诱导水伏发
电材料的批量化制备。最终得到的水伏发电材料不仅具有很高的输出电压(0.3v～0.5v)，还可以长时稳定输出。更重要的是，后续通过简单的电极引线制备与阵列化集成，便可以进一步提升发电能力，从而实现对小功率器件的驱动。因此，本发明将进一步推动水伏发电材料领域的实际应用。
附图说明
32.图1为本发明提供janus水伏发电材料的制备流程图；
33.图2为本发明实施例1所述janus水伏发电材料的数码照片；
34.图3为本发明实施例1所述janus水伏发电材料的湿气发电性能图；
35.图4为本发明实施例1所述janus水伏发电材料的长时供电测试图；
36.图5为本发明实施例1所述janus水伏发电材料的长呼气-吸气监测；
37.图6为本发明实施例1所述janus水伏发电材料串联后的发电性能与自供电应用图。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
39.本发明实施例涉及janus水伏发电材料的制备方法。其流程图如图1所示，包括以下步骤：
40.(1)制备碳材料分散液；(2)通过化学还原的方式将部分碳材料分散液进行还原；(3)分别将氧化碳材料与还原碳材料进行冻干；(4)将二者通过冷压的方式制备出janus水伏发电材料。
41.本发明中，两种类型多孔碳材料分别起到的作用是：氧化性多孔碳材料提供大量的含氧官能团，产生可移动的氢离子，对湿气发电性能作出主要贡献；还原性多孔碳材料主要用于构建浓度差，实现持续的湿气发电。因此，单一的氧化性多孔碳材料虽然可以实现湿气发电，但无法持续发电，而单一还原性多孔碳材料由于含氧官能团过少，不具有湿气发电性能。
42.实施例1
43.一种janus水伏发电材料的制备方法，其制备流程如图1所示，包括如下步骤：
44.(1)配制碳材料分散液
45.将氧化石墨粉缓慢加入去离子水中，氧化石墨的质量浓度为5mg/ml，超声分散1h，得到分散均匀的氧化石墨分散液。
46.(2)化学还原氧化石墨分散液
47.将氧化石墨分散液分为a和b两部分，两部分的体积比为1:1。将盐酸多巴胺缓慢加入搅拌中的b部分氧化石墨分散液中，再向搅拌中的b部分分散液中缓慢滴加2ml浓度为1mol/l的三羟甲基氨基甲烷水溶液。滴加结束后，盐酸多巴胺在b部分氧化石墨分散液中的质量浓度为1.5mg/ml，三羟甲基氨基甲烷在b部分碳材料分散液中的质量浓度为8mg/ml。持
续搅拌均匀后，将b部分分散液静置48h，便可得到还原氧化石墨分散液。
48.(3)碳材料溶液的冷冻干燥
49.将a部分氧化石墨分散液与b部分制备得到的还原氧化石墨分散液分别放入冷冻干燥机中，于20pa的条件下冷冻干燥48h，便可得到相应的多孔材料，即多孔氧化石墨与多孔还原氧化石墨。
50.(4)冷压制备janus水伏发电材料
51.将多孔氧化石墨与多孔还原氧化石墨叠放在一起，放入压片机中，施加30mpa的压强，便可得到冷压法制备的janus水伏发电碳材料。
52.图2a)为上述实施例所制备水伏发电材料的数码照片，其中还原面呈现黑色，氧化面颜色较浅，还原面与氧化面的颜色差异明显，表明其为“a and b”型janus材料。对该实施例1制备的水伏发电材料分别涂覆上下电极，得到简易的水伏发电器件，器件数码照片如图2b)所示。
53.对实施例1制备得到的水伏发电器件进行以下测试：
54.采用keithley2400数字源表对实施例1制备得到的水伏发电器件进行发电性能测试，主要读取其输出电压数值。将器件放置于湿度控制箱中，改变整体环境的湿度，得到图3所示的湿气发电性能曲线，其中t表示持续发电的时间，v表示器件的输出电压。由图3可以看出，该材料的输出电压随湿度的增加而升高，当湿度达到80％时，材料的输出电压达到了将近400mv。图4为本实施例所述材料的长时供电测试，同样采取keithley2400数字源表进行测试，其曲线坐标含义与图3相同。由图4可以看出，材料在长时间持续使用的过程中，输出电压并没有明显降低，证明了其发电性能的稳定性。
55.采用keithley2400数字源表对实施例1制备得到的水伏发电器件进行发电性能测试，探索其在在湿度监测与自供电领域的应用前景。通过在器件表面进行简单的呼气-吸气行为，得到图5所示的发电性能曲线，其中t表示持续发电的时间，v表示器件的输出电压。由图5可以看出，该材料在呼气时输出电压升高，在吸气时输出电压下降，可以对呼气-吸气行为有灵敏的监测功能。通过将8个水伏发电器件串联，可以得到图6所示的发电性能曲线，其中t表示持续发电的时间，v表示器件的输出电压。由图6可以看出，串联后的器件阵列输出电压明显升高，达到了3v的级别，可以直接驱动led等低功耗设备，具有较好的自供电应用前景。
56.改变实施例2～4与对比例1～8中的反应条件，具体设置见表1。
57.表1
[0058][0059]
*除表1中记载参数以外，每一实施例或对比例的其它参数同实施例1。
[0060]
采用keithley2400数字源表，对上述制备的器件进行发电性能测试，测试湿度为80％，材料的输出电压见表2。
[0061]
表2
[0062]
实施例/对比例输出电压(mv)实施例1390实施例2352实施例3402
实施例4365对比例1305对比例2377对比例3351对比例4340对比例5227对比例6136对比例7210(无法长时发电)对比例840
[0063]
将实施例1～4的实验结果对比可知，以氧化石墨烯粉末或氧化石墨烯制备出的水伏发电材料均具有较好的湿气发电性能，碳材料浓度的提高有利于器件发电性能的提升。
[0064]
将实施例1和对比例1～3的实验结果对比可知，当氧化性多孔碳材料占比增多时，材料依然具有湿气发电性能，证明氧化性多孔碳材料在电压输出方面占据主导地位。但是当氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料的比例超过5:1后，输出电压有所下降。
[0065]
将实施例1和对比例4～6的实验结果对比可知，当还原性多孔碳材料占比增多时，材料的湿气发电性能会明显减弱，证明还原性多孔碳材料占比过多会减少材料内部可移动的氢离子，造成输出电压降低。
[0066]
将实施例1和对比例7的实验结果对比可知，当仅有氧化性多孔碳材料组分存在，材料依然具有一定的湿气发电性能，输出电压可达到210mv，但是由于没有还原性多孔碳材料组分存在，浓度差无法持续维持，因此不可以进行长时发电。
[0067]
将实施例1和对比例8的实验结果对比可知，当仅有还原性多孔碳材料组分存在，材料基本不具备湿气发电性能，输出电压仅有40mv，这是由于材料内部含氧官能团过少，无法形成浓度差。
[0068]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。