CN108306551A - 能在任意水溶液中发电的碳水发电器件及其制备方法 - Google Patents

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彭慧胜
何思斯
张波
丘龙斌
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Abstract

本发明属于新型能源技术领域，具体为一种基于碳纳米管的能在任意水溶液中发电的碳水发电器件的制备方法。本发明以碳纳米管作为基本构型，通过氧等离子体处理或者酸处理，使碳纳米管进行桥氧键接枝，将两个接枝不同程度桥氧键的碳纳米管作为两极，进行并排组装，即得到碳水发电器件。该器件可在任意状态水溶液中可自充电，还可在断开之后在不需要引入其他外界因素情况下可实现自活化行为。该器件的发电以及自活化行为重复多次而没有明显的衰减和疲劳。该器件最高的功率密度约700毫瓦每平方米，远高于目前商业的硅基太阳能电池的功率密度。

Description

能在任意水溶液中发电的碳水发电器件及其制备方法
技术领域
本发明属于新型能源技术领域，具体涉及碳水发电器件及其制备方法。
背景技术
水作为一种丰富以及绿色的资源，可作为现代供能中必不可少的来源之一。对于水资源的合理的开发利用是当代世界重要任务之一。如何有效的利用水资源特别是海水的利用显得尤为重要，尤其是如何利用水进行电能的产生。目前普遍使用的是水利发电，可实现将水的势能转换成电能。随着科技的发展，也逐渐出现了利用纳米材料从而实现在动态的水中产生电能的新型发电器件。主要是利用纳米材料表面的液体的流体电效应、离子液体在纳米材料表面的电动现象以及流动水和高分子的摩擦发电。但这些器件都存在一些普遍的问题。例如：这些放电形式均需要流动的水，这样对于大部分的水资源存在具有很大的应用限制；而且大部分的器件需要具有离子的液体，也对于应用范围产生了极大地限制。因此，我们亟需发明一种水发电的器件，并且不仅限于流动状态下的水，可在大部分溶液中实现发电的器件，同时不需要引入其他外界因素情况下可实现自活化行为。
发明内容
本发明的目的是提供能在任意状态水溶液中发电的碳水发电器件及其制备方法。
本发明提供的能在任意状态水溶液中自充电的碳水发电器件，是基于碳纳米管的材料，即以碳纳米管作为基本构型，通过氧等离子体处理或者酸处理，使得碳纳米管进行桥氧键接枝，将两个接枝不同程度桥氧键的碳纳米管作为两极，进行并排组装，即得到在任意状态水溶液中可自充电的碳水发电器件。
本发明中，所述碳纳米管，可由化学气相沉积方法合成，形态可为碳纳米管粉末；所述碳纳米管，也可从碳纳米管阵列中直接纺出，形态为碳纳米管薄膜或者纤维；所述碳纳米管通过特殊处理，使得碳纳米管进行桥氧键接枝，进而将两个接枝不同程度桥氧键的碳纳米管作为两极，即可得到器件。该器件在接触任意状态（例如流动状态或静止状态）水溶液（例如，淡水、海水、去离子水等）之后，，可进行发电，输出一定的电压和电流；该器件可在断开之后在不需要引入其他外界因素情况下可实现自活化行为，使得器件的容量恢复；该器件的发电以及自活化的行为可以重复多次而没有明显的衰减和疲劳。
本发明提供的基于碳纳米管的碳水发电器件的制备方法，具体步骤如下：
（1）通过化学气相沉积方法或者悬浮浮动化学气相沉积方法合成碳纳米管；
（2）将碳纳米管接枝桥氧键；
（3）将接枝不同程度的桥氧键的碳纳米管分别作为两极，进行并排组装。
步骤（1）中，所述的碳纳米管，其形态可以是粉末，薄膜或者纤维。
步骤（2）中，所述的接枝桥氧键的方法，可以是氧等离子体处理或者酸处理方法。所述的接枝桥氧键的碳纳米管的氧含量的范围为1到11原子百分比。其中，当接枝桥氧键的方法是氧等离子体处理，氧等离子体处理的氧气流量从50到1000毫升/分钟，功率从100瓦到900瓦，时间从1秒到400分钟。当接枝桥氧键的方法是酸处理，酸可以是硝酸，硫酸或者两者的混合酸。酸处理温度从20到150℃，处理时间从10到1000分钟。
步骤（3）中，所述的将接枝不同程度的桥氧键的碳纳米管分别作为两极，可以是接枝桥氧键和未接枝的原始碳纳米管，也可以是接枝桥氧键程度不一样的两个碳纳米管。不同氧等离子体处理程度的碳纳米管作为两极不相互接触。
本发明的优点在于：
得到的碳水发电器件，可在淡水，海水或者去离子水中均可产生电压电流；该器件还可在断开之后在不需要改变其他外界条件的情况下实现自活化行为，使得器件的容量恢复；该器件的发电以及自活化行为可以重复多次而没有明显的衰减和疲劳。该器件最高的功率密度约700毫瓦每平方米，即约200毫瓦每克，远高于目前商业的硅基太阳能电池的功率密度（12.2毫瓦每克，型号为the TN-60-6M series（TN SOLAR公司））。
附图说明
图1为未具有桥氧键和具有桥氧键的碳纳米管与水相互作用电荷分布图。
图2为本发明的碳水发电器件在接触去离子水中的开路电压和短路电流随时间的变化曲线图。
图3为本发明的碳水发电器件的功率密度与外接电阻的变化曲线图。
图4为本发明的碳水发电器件在接触去离子水中在10纳安的放电电流以及无电流状态下电压自恢复的曲线图。
图5为本发明的碳水发电器件通过串并联制备的碳水发电盒，可供电子屏幕进行俄罗斯方块的动画运行。
图6为本发明的碳水发电器件结构图。
具体实施方式
实施例1
（1）碳纳米管纤维的合成
采用化学气相沉积法（CVD）生长高度取向的碳纳米管阵列，催化剂为Fe（1.2 nm）/Al2O3(3 nm)/Si，Al2O3和Fe 是利用电子束蒸发仪依次沉积在硅片上，其中Al2O3层作为缓冲层，Fe 作为催化剂。乙烯（90 cm3/min）作为碳源，氢气（30 cm3/min）和氩气（400 cm3/min）作为载气，在管式炉中740 ℃下生长十分钟。将得到的碳纳米管阵列拉出的碳纳米管薄膜以3000 rpm的速度加捻，可得到碳纳米管纤维。
（2）等离子体处理的碳纳米管纤维
将碳纳米管纤维放入微波等离子体腔体中，通入300 sccm的氧气，分别在100瓦的功率下处理15分钟，以及在300瓦的功率下处理45分钟，得到等离子体处理的碳纳米管纤维。该碳纳米管纤维的表面基本没有发生变化。
（3）在水溶液中基于碳纳米管的可自充电的碳水发电器件的制备
将上述处理程度不同的碳纳米管纤维分别作为两极即可得到器件。
该器件在去离子水中可进行发电。图2是得到的器件在接触去离子水后的开路电压与时间的曲线。电压在接触水后很短时间内就达到0.3伏，并且该电压可一直保持基本没有明显的衰减现象。测得的短路电流在去离子水中为1.2微安左右。
该器件在去离子水中电压和电流可调节并且具有优异的功率密度。图3是得到的器件的功率密度和外界电阻的变化曲线图。可见在外接电阻为0.5兆欧的时候，功率密度达到最大，约700毫瓦每平方米，即约200毫瓦每克，远高于目前商业的硅基太阳能电池的功率密度（12.2毫瓦每克，型号为the TN-60-6M series（TN SOLAR公司））。
该器件在去离子水中在断开之后在不需要引入其他外界因素情况下可实现自充电行为。图4是得到的器件在去离子水中在10纳安的放电电流以及在无充电电流下电压自恢复随时间的变化曲线图。在10纳安的放电电流下放电100秒可将容量放完，并且在没有充电电流的条件下电压可在一段时间内进行恢复，并且多次放电的过程中容量基本没有发生明显衰减。
该器件产生的电压和电流可通过串并联进行放大。而且该器件可以在其他的水溶液正常工作，例如在资源丰富的海水中进行发电。图5是基于碳纳米管的碳水发电器件通过串并联制备的碳水发电盒，可供电子屏幕进行俄罗斯方块的动画运行。
由于这些优异独特的性能，该器件可以作为未来绿色清洁能源器件广泛应用于工业，生活甚至体内功能等领域。
实施例2
（1）碳纳米管薄膜的合成
采用化学气相沉积法（CVD）生长高度取向的碳纳米管阵列，催化剂为Fe（1.2 nm）/Al2O3(3 nm)/Si，Al2O3和Fe 是利用电子束蒸发仪依次沉积在硅片上，其中Al2O3层作为缓冲层，Fe 作为催化剂。乙烯（90 cm3/min）作为碳源，氢气（30 cm3/min）和氩气（400 cm3/min）作为载气，在管式炉中740 ℃下生长十分钟。从得到的碳纳米管阵列拉出的碳纳米管薄膜。
（2）等离子体处理的碳纳米管薄膜
将碳纳米管薄膜放入微波等离子体腔体中，通入300 sccm的氧气，分别在100瓦的功率下处理15分钟以及在300瓦的功率下处理45分钟得到等离子体处理的碳纳米管纤维。得到的等离子体处理的碳纳米管薄膜的表面基本没有发生变化。
（3）在水溶液中基于碳纳米管的可自充电的碳水发电器件的制备
将上述处理程度不同的碳纳米管薄膜分别作为两极即可得到器件。该器件在接触到去离子体水后可产生约0.28伏的电压。
实施例3
（1）碳纳米管纤维的合成
以乙醇为碳源，二茂铁为催化剂。以噻吩为促生长剂。将反应器排空气、通入每分钟1000 毫升的氢气，升温至1250度。将配置的溶液以每小时10.0毫升的速度注入到反应器中，从反应器底部拉出，经水收缩即可得到碳纳米管纤维。
（2）酸处理碳纳米管纤维
将碳纳米管纤维放入装有浓硫酸（65 wt%）的烧杯中，再将烧杯放入油浴锅中进行加热，于140度下加热24小时，取出并用去离子水冲洗三次，自然干燥即得到酸处理的碳纳米管纤维。
（3）在水溶液中基于碳纳米管的可自充电的碳水发电器件的制备
将上述酸处理的碳纳米管和没有经过处理的碳纳米管纤维分别作为两极即可得到器件。该器件在接触到去离子体水后可产生约0.38伏的电压。

Claims (10)

1.一种能在任意水溶液中发电的碳水发电器件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）通过化学气相沉积方法或者悬浮浮动化学气相沉积方法合成碳纳米管；
（2）将碳纳米管接枝桥氧键；
（3）将两个接枝不同程度的桥氧键的碳纳米管作为两极，进行并排组装。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的碳纳米管为粉末、薄膜或者纤维。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述接枝桥氧键的方法是氧等离子体处理或者酸处理方法；所述接枝桥氧键的碳纳米管的氧含量的范围为1到11原子百分比。
4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述接枝桥氧键的方法是氧等离子体处理时，氧等离子体处理的氧气流量为50毫升/分钟到1000毫升/分钟，功率为100瓦到900瓦，时间为1秒到400分钟。
5.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述接枝桥氧键的方法是酸处理时，所述的酸是硝酸、硫酸，或者两者的混合酸；处理温度为20-150℃，处理时间为10-1000分钟。
6.根据权利要求1-5之一所述制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述的两个接枝不同程度的桥氧键的碳纳米管，是已接枝桥氧键和未接枝桥氧键的原始碳纳米管，或者是接枝桥氧键程度不一样的两个碳纳米管。
7.根据权利要求1-5之一所述制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述的两极不相互接触。
8.一种由权利要求1-7之一所述制备方法制备得到的碳水发电器件，其特征在于，可在任意状态水溶液中发电。
9.根据权利要求8所述的碳水发电器件，其特征在于，该器件在断开之后在不需要改变其他外界条件的情况下实现自活化行为，使得器件的容量恢复。
10.根据权利要求8所述的碳水发电器件，其特征在于，该器件最高的功率密度为700毫瓦每平方米。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1922106A (zh) * 2004-02-16 2007-02-28 独立行政法人科学技术振兴机构 碳纳米管结构选择性分离和表面固定
CN101229918A (zh) * 2008-01-18 2008-07-30 北京化工大学 一种碳纳米管的氧化改性方法
CN101559936A (zh) * 2009-05-27 2009-10-21 天津大学 基于等离子体引发原位聚合修饰碳纳米管及其制备方法
CN103137943A (zh) * 2011-11-23 2013-06-05 中国海洋大学 海水溶解氧电池用正极及采用该正极的海水溶解氧电池
WO2013154623A1 (en) * 2012-04-10 2013-10-17 California Institute Of Technology Novel separators for electrochemical systems
CN104112844A (zh) * 2013-04-17 2014-10-22 台湾奈米碳管股份有限公司 海水电池

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1922106A (zh) * 2004-02-16 2007-02-28 独立行政法人科学技术振兴机构 碳纳米管结构选择性分离和表面固定
CN101229918A (zh) * 2008-01-18 2008-07-30 北京化工大学 一种碳纳米管的氧化改性方法
CN101559936A (zh) * 2009-05-27 2009-10-21 天津大学 基于等离子体引发原位聚合修饰碳纳米管及其制备方法
CN103137943A (zh) * 2011-11-23 2013-06-05 中国海洋大学 海水溶解氧电池用正极及采用该正极的海水溶解氧电池
WO2013154623A1 (en) * 2012-04-10 2013-10-17 California Institute Of Technology Novel separators for electrochemical systems
CN104112844A (zh) * 2013-04-17 2014-10-22 台湾奈米碳管股份有限公司 海水电池

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