CN108226246B - 一种钙钛矿电极水质检测笔及制备钙钛矿电极的方法 - Google Patents

一种钙钛矿电极水质检测笔及制备钙钛矿电极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿电极水质检测笔及制备钙钛矿电极的方法，属于水质酸碱度检测技术领域，采用记忆高分子材料交联钙钛矿材料制备而成的钙钛矿电极制作出的水质检测笔，包括保护外壳，保护外壳上设置有保护按钮，保护按钮上设置有开关、钙钛矿电极和标准电极，所述钙钛矿电极和标准电极连接设置在保护外壳内的电压控制器、显示模块和供电模块，本发明通过钙钛矿电极和标准电极测量液体，根据液体的酸碱度改变两电极之间的电压，再根据电压控制器测得的电压差信号改变指示灯的颜色，从而指示水质的酸碱度，解决了现有水质测量工具重复利用性不高，以及现有水质检测笔体积大、结构复杂、不能便捷直观地显示出检测结果的问题。

Description

一种钙钛矿电极水质检测笔及制备钙钛矿电极的方法
技术领域
本发明涉及水质酸碱度检测技术领域，特别涉及一种钙钛矿电极的制备方法和基于该电极的水质检测笔。
背景技术
水是生命之源，人类在生活和日常生产活动中都离不开水，生活饮用水水质的优劣也与人类健康问题息息相关。随着社会经济发展、科技进步与人民生活水平的提高，人们对生活饮用水的水质要求也不断提高，其中酸碱度(pH)指标是水质检测的重要参数之一，可以方便评价水质优劣。
水质检测笔是一种可重复利用以及便于携带的水质测量工具，用于检测水中的部分数据，以此来判断水质问题，水质检测笔普遍用于水处理行业、野外工作、居家旅行等。但目前常用的水质测量笔结构都较为复杂，体积大、制作成本高，不能便捷直观地显示出检测结果。
且现有的水质测量工具中最核心的部件是玻璃电极，这种电极是由对氢离子活度有电势响应的玻璃薄膜制成的，这种玻璃电极在使用前需要进行还原处理，即浸在纯水中浸泡一定时间，使表面形成薄层溶胀层，之后再放入待测溶液中进行pH值检测，这一步骤限制了玻璃电极在水质监测笔中的重复使用性，且玻璃电极结构较复杂，无法满足检测设备的小型化处理。
钙钛矿材料具有优异的电学特性，可广泛应用于太阳能电池、探测器和发光二极管等应用中。而形状记忆高分子材料是具有一定初始形状的材料，经过形变成另一种形状后，通过外界条件刺激又可恢复其初始形状的高分子材料，尤其是对酸碱度有响应的形变高分子材料。
因此，本发明将钙钛矿材料和形变高分子材料结合，制备出性能更为优良，使用更方便的钙钛矿电极。
发明内容
本发明的目的在于：一种钙钛矿电极水质检测笔及制备钙钛矿电极的方法，解决了现有水质测量工具中采用的玻璃电极，每次使用都需要还原处理，导致重复利用性不高，以及现有水质检测笔体积大、结构复杂、不能便捷直观地显示出检测结果的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种钙钛矿电极水质检测笔，包括保护外壳，保护外壳上设置有保护按钮，所述保护按钮上设置有开关、钙钛矿电极和标准电极，所述保护外壳上设置有用于钙钛矿电极和标准电极出入的孔，通过按压保护按钮使开关与供电模块连接或断开，并使钙钛矿电极和标准电极通过孔伸出或收缩于保护外壳内；所述钙钛矿电极和标准电极还连接有设置在保护外壳内的用于检测钙钛矿电极和标准电极之间电压变化的电压控制器、与电压控制器连接的显示模块和为电路供电的供电模块。
进一步地，所述供电模块包括太阳能电池板和蓄电池，所述太阳能电池板用于吸收光能并将其转化为电能后，输出直流电存储于蓄电池中。
进一步地，所述显示模块为指示灯，用于根据电压控制器加载的不同的电压发出不同颜色的光，从而指示水质的酸碱度。
进一步地，所述保护按钮为T字型，下方设置有弹簧，使保护按钮自动归位。
进一步地，所述保护按钮上还设置有连接块，所述连接块为倒T字型，开关设置在竖轴上，钙钛矿电极和标准电极固定在横轴上，钙钛矿电极和标准电极的接线口均设置在竖轴上。
更进一步地，所述开关由一个连接片，或一个连接片和触点开关组成，所述连接片与太阳能电池板和蓄电池形成充电电路，按压保护按钮后，连接片悬空或与钙钛矿电极和标准电极的接线口连接，再与蓄电池、显示模块和电压控制器形成检测电路。
更进一步地，所述钙钛矿电极和标准电极的接线口互相连接或不连接；接线口互相连接，按压保护按钮后，连接片悬空，检测电路从短路变为通路；或接线口不连接，按压保护按钮后，连接片接通接线口，检测电路从开路变为通路；或接线口不连接，按压保护按钮后，连接片悬空，触点开关接通接线口，检测电路从开路变为通路。
一种制备钙钛矿电极的方法，包括以下步骤：
步骤1：将有机和无机杂化的ABX3型立方晶系结构钙钛矿材料的溶液与记忆高分子纤维材料混合均匀，其中钙钛矿材料在共混溶液中浓度为50％；
步骤2：在步骤1得到的混合溶液中添加具有固化作用的记忆高分子纤维材料，将溶液以80℃加热，使得钙钛矿的溶解液逐渐挥发，钙钛矿材料随着溶液挥发而结晶，并与记忆高分子纤维材料中一同被固化作用的高分子材料使用PVA交联，最终使得整个材料固化为固体；
步骤3：将固化后的固体材料加工成棒状，安装在酸碱度检测笔中。
进一步地，所述步骤1中的ABX3型钙钛矿材料为金属卤化物钙钛矿材料(MAPbX3)，其中X为Br、I或Cl。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.一种钙钛矿电极水质检测笔，通过钙钛矿电极和标准电极测量液体，根据液体的酸碱度改变两电极之间的电压，再根据电压控制器测得的电压差信号改变指示灯的两端电压，最后根据指示灯显示出的不同颜色，实现更加形象直观地对水质酸碱度的检测，本发明结构简单，操作方便，体积小，不占地方又方便携带；
2.一种制备钙钛矿电极的方法，通过形状记忆高分子材料交联钙钛矿材料制备钙钛矿电极，记忆材料本身的变化会改变整个材料的电学性质，且能够自动恢复，不需要像玻璃电极那样每次使用都需要还原处理，使本发明使用更方便，重复利用性更高；
3.本发明采用太阳能电池板收集太阳能为蓄电池充电，绿色又环保；
4.本发明采用电压控制器来检测两电极之间的电压变化，它能在电路中捕捉到微小的电压变化，使本发明的性能更优良。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是一种钙钛矿电极水质检测笔的外观示意图；
图2是本发明实施例一充电模式的工作示意图；
图3是本发明实施例一检测模式的工作示意图；
图4是本发明实施例二充电模式的工作示意图；
图5是本发明实施例二检测模式的工作示意图；
图6是本发明实施例三充电模式的工作示意图；
图7是本发明实施例三检测模式的工作示意图；
图中，1.保护按钮、2.弹簧、3.太阳能电池板、4.保护外壳、5.蓄电池、6.触点开关、7.指示灯、8.电压控制器、9.钙钛矿电极、10.标准电极、11.连接块、12.待测液体。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1至图7对本发明作详细说明。
一种钙钛矿电极水质检测笔，包括保护外壳4，保护外壳4上设置有保护按钮1，所述保护按钮1上设置有开关6、钙钛矿电极9和标准电极10，所述保护外壳4上设置有用于钙钛矿电极9和标准电极10出入的孔，通过按压保护按钮1使开关6与供电模块连接或断开，并使钙钛矿电极9和标准电极10通过孔伸出或收缩于保护外壳4内；所述钙钛矿电极9和标准电极10还连接有设置在保护外壳4内的用于检测钙钛矿电极9和标准电极10之间电压变化的电压控制器8、与电压控制器8连接的显示模块和为电路供电的供电模块。
进一步地，所述供电模块包括太阳能电池板3和蓄电池5，所述太阳能电池板3用于吸收光能并将其转化为电能后，输出直流电存储于蓄电池5中，绿色又环保。
进一步地，所述显示模块为指示灯7，具体为电压控制可变色OLED灯，用于根据电压控制器8加载的不同的电压发出不同颜色的光，从而指示水质的酸碱度，实现更加形象直观地对水质水质酸碱度的检测，所述电压控制器8用于检测钙钛矿电极9和标准电极10之间的电压变化，并改变加载在指示灯7上的电压，能在电路中捕捉到微小的电压变化，使本发明的性能更优良。
进一步地，所述保护按钮1为T字型，下方设置有弹簧2，使保护按钮1自动归位。
进一步地，所述保护按钮1上还设置有连接块11，所述连接块11为倒T字型，开关6设置在竖轴上，钙钛矿电极9和标准电极10固定在横轴上，钙钛矿电极9和标准电极10的接线口均设置在竖轴上。
更进一步地，所述开关6由一个连接片，或一个连接片和触点开关组成，所述连接片与太阳能电池板3和蓄电池5形成充电电路，按压保护按钮1后，连接片悬空或与钙钛矿电极9和标准电极10的接线口连接，再与蓄电池5、显示模块和电压控制器8串联形成检测电路。
更进一步地，所述钙钛矿电极9和标准电极10的接线口互相连接或不连接；接线口互相连接，按压保护按钮1后，连接片悬空，检测电路从短路变为通路；或接线口不连接，按压保护按钮1后，连接片接通接线口，检测电路从开路变为通路；或接线口不连接，按压保护按钮1后，连接片悬空，触点开关接通接线口，检测电路从开路变为通路。
一种制备钙钛矿电极的方法，包括以下步骤：
步骤1：将有机和无机杂化的ABX3型立方晶系结构钙钛矿材料的溶液与记忆高分子纤维材料混合均匀，其中钙钛矿材料在共混溶液中浓度为50％；
步骤2：在步骤1得到的混合溶液中添加具有固化作用的记忆高分子纤维材料，将溶液以80℃加热，使得钙钛矿的溶解液逐渐挥发，钙钛矿材料随着溶液挥发而结晶，并与记忆高分子纤维材料中一同被固化作用的高分子材料使用PVA交联，最终使得整个材料固化为固体；
步骤3：将固化后的固体材料加工成棒状，安装在酸碱度检测笔中。
进一步地，所述步骤1中的ABX3型钙钛矿材料为金属卤化物钙钛矿材料(MAPbX3)，其中X为Br、I或Cl。
更进一步地，所述钙钛矿电极9是通过记忆高分子材料交联钙钛矿材料制备而成，记忆高分子材料中的纤维材料对pH值变化有响应，当溶液为酸性时，氢离子之间的相互排斥使分子链扩展，纤维伸长；当溶液为碱性时，分子链状态复原，纤维收缩，恢复原状，通过记忆材料的形变，也同时改变了钙钛矿材料的晶格间隙，从而产生不同的导电性；记忆材料本身的变化会改变整个材料的电学性质，且能够自动恢复，不需要像玻璃电极那样每次使用都需要还原处理，使本发明使用更方便，重复利用性更高。
更进一步地，所述标准电极10对外界酸碱度不敏感，可以保持电学性质的稳定。
本发明的工作原理为：
一种钙钛矿电极水质检测笔，有两种工作模式，第一种为充电模式，保护按钮1处于自由状态，检测电路为开路，充电电路为通路，太阳能电池板3吸收光能并将其转化为电能，输出直流电存储于蓄电池5中；第二种为检测模式，保护按钮1处于按压状态，充电电路为开路，检测电路为通路，蓄电池5提供检测过程中所需电能，将钙钛矿电极9与标准电极10插入待测液体11后，通过电压控制器8测得两电极之间产生的电压差信号，根据检测到的信号改变指示灯7两侧的电压，使得指示灯7显示不同颜色来表明水质的酸碱度，指示灯7为电压控制可变色OLED灯，有3种显示状态，分别为红，白，蓝三种颜色，对应酸性，中性以及碱性液体。
本发明的具体实施例如下。
实施例一：
如图2所示，开关6由一个连接片组成，钙钛矿电极9和标准电极10的接线口互相不连接，首先保护按钮1处于自由状态，检测笔为充电模式，充电电路为通路，检测电路为开路，太阳能电池板3收集太阳能为蓄电池5充电；然后，按压保护按钮1，检测笔进入检测模式，如图3所示，连接片与钙钛矿电极9和标准电极10的接线口连接，充电电路为开路，检测电路为通路，蓄电池5提供检测过程中所需电能，将钙钛矿电极9与标准电极10插入待测液体11后，通过电压控制器8测得两电极之间产生的电压差信号，根据检测到的电压差信号将5V电压提供给指示灯7，指示灯7呈红色，表明此时待测液体11为酸性液体，其中钙钛矿电极9是用PVA交联钙钛矿材料CH3NH3PbI3和聚丙乙烯纤维后制备而成。
实施例二：
如图4所示，开关6由一个连接片组成，钙钛矿电极9和标准电极10的接线口互相连接，首先保护按钮1处于自由状态，检测笔为充电模式，充电电路为通路，检测电路为短路，太阳能电池板3收集太阳能为蓄电池5充电；然后，按压保护按钮1，检测笔进入检测模式，如图5所示，连接片悬空，充电电路为开路，检测电路为短路，将钙钛矿电极9与标准电极10插入待测液体11后，检测电路为通路，蓄电池5提供检测过程中所需电能，通过电压控制器8测得两电极之间产生的电压差信号，根据检测到的电压差信号将6V电压提供给指示灯7，指示灯7呈白色，表明此时待测液体11为中性液体，其中钙钛矿电极9是用PVA交联钙钛矿材料CH3NH3PbBr3和聚丙乙烯纤维后制备而成。
实施例三：
如图6所示，开关6由一个连接片和触点开关组成，钙钛矿电极9和标准电极10的接线口互相不连接，首先保护按钮1处于自由状态，检测笔为充电模式，充电电路为通路，检测电路为开路，太阳能电池板3收集太阳能为蓄电池5充电；然后，按压保护按钮1，检测笔进入检测模式，如图7所示，连接片悬空，充电电路为开路，检测电路为开路，将钙钛矿电极9与标准电极10插入待测液体11后，检测电路为通路，蓄电池5提供检测过程中所需电能，将钙钛矿电极9与标准电极10插入待测液体11后，通过电压控制器8测得两电极之间产生的电压差信号，根据检测到的电压差信号将7V电压提供给指示灯7，指示灯7呈蓝色，表明此时待测液体11为碱性液体，其中钙钛矿电极9是用PVA交联钙钛矿材料CH3NH3PbCl3和聚丙乙烯纤维后制备而成。
本发明采用记忆高分子材料交联钙钛矿材料制备而成的钙钛矿电极9，制作出的水质检测笔，通过钙钛矿电极9和标准电极10测量液体，根据液体的酸碱度改变两电极之间的电压，再根据电压控制器8测得的电压差信号改变指示灯7的两端电压，最后根据指示灯7显示出的不同颜色，实现更加形象直观地对水质酸碱度的检测，本发明结构简单，操作方便，体积小，不占地方又方便携带，解决了现有水质测量工具中采用的玻璃电极，每次使用都需要还原处理，导致重复利用性不高，以及现有水质检测笔体积大、结构复杂、不能便捷直观地显示出检测结果的问题。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，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该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种钙钛矿电极水质检测笔，包括保护外壳(4)，保护外壳(4)上设置有保护按钮(1)，其特征在于：所述保护按钮(1)上设置有开关(6)、钙钛矿电极(9)和标准电极(10)，所述保护外壳(4)上设置有用于钙钛矿电极(9)和标准电极(10)出入的孔，通过按压保护按钮(1)使开关(6)与供电模块连接或断开，并使钙钛矿电极(9)和标准电极(10)通过孔伸出或收缩于保护外壳(4)内；所述钙钛矿电极(9)和标准电极(10)还连接有设置在保护外壳(4)内的用于检测钙钛矿电极(9)和标准电极(10)之间电压变化的电压控制器(8)、与电压控制器(8)连接的显示模块和为电路供电的供电模块，所述钙钛矿电极(9)是用PVA交联金属卤化物钙钛矿材料MAPbX3和记忆高分子纤维材料后制备而成，所述金属卤化物钙钛矿材料MAPbX3中的X为Br、I或Cl。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿电极水质检测笔，其特征在于：所述供电模块包括太阳能电池板(3)和蓄电池(5)，所述太阳能电池板(3)用于吸收光能并将其转化为电能后，输出直流电存储于蓄电池(5)中。
3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿电极水质检测笔，其特征在于：所述显示模块为指示灯(7)，用于根据电压控制器(8)加载的不同的电压发出不同颜色的光，从而指示水质的酸碱度。
4.根据权利要求1所述的一种钙钛矿电极水质检测笔，其特征在于：所述保护按钮(1)为T字型，下方设置有弹簧(2)，使保护按钮(1)自动归位。
5.根据权利要求1所述的一种钙钛矿电极水质检测笔，其特征在于：所述保护按钮(1)上还设置有连接块(11)，所述连接块(11)为倒T字型，开关(6)设置在竖轴上，钙钛矿电极(9)和标准电极(10)固定在横轴上，钙钛矿电极(9)和标准电极(10)的接线口均设置在竖轴上。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种钙钛矿电极水质检测笔，其特征在于：所述开关(6)由一个连接片，或一个连接片和触点开关组成，所述连接片与太阳能电池板(3)和蓄电池(5)形成充电电路，按压保护按钮(1)后，连接片悬空或与钙钛矿电极(9)和标准电极(10)的接线口连接，再与蓄电池(5)、显示模块和电压控制器(8)形成检测电路。
7.根据权利要求6所述的一种钙钛矿电极水质检测笔，其特征在于：所述钙钛矿电极(9)和标准电极(10)的接线口互相连接或不连接；接线口互相连接，按压保护按钮(1)后，连接片悬空，检测电路从短路变为通路；或接线口不连接，按压保护按钮(1)后，连接片接通接线口，检测电路从开路变为通路；或接线口不连接，按压保护按钮(1)后，连接片悬空，触点开关接通接线口，检测电路从开路变为通路。
8.一种制备钙钛矿电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将金属卤化物钙钛矿材料MAPbX3的溶液与记忆高分子纤维材料混合均匀，其中金属卤化物钙钛矿材料MAPbX3在共混溶液中浓度为50％，所述金属卤化物钙钛矿材料MAPbX3中的X为Br、I或Cl；
步骤2：在步骤1得到的混合溶液中添加能响应酸碱的具有固化作用的记忆高分子纤维材料，将溶液以80℃加热，使得钙钛矿的溶解液逐渐挥发，钙钛矿材料随着溶液挥发而结晶，并与记忆高分子纤维材料中一同被固化作用的高分子材料使用PVA交联，最终使得整个材料固化为固体；
步骤3：将固化后的固体材料加工成棒状，安装在酸碱度检测笔中。
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