CN108616229B - 一种湿度发电器件的制造方法和一种湿度发电器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种湿度发电器件的制造方法和一种湿度发电器件。其中，所述方法包括：将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并进行干燥处理，获得碳量子点复合材料层；在所述碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层；对所述第一金属电极层和所述第二金属电极层分别配置导线；将所述第一金属电极层或者所述第二金属电极层的表面密封。所述湿度发电器件由上述方法制作而成。本发明提供的湿度发电器件的制造方法和湿度发电器件，降低了湿气发电器件的制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种湿度发电器件的制造方法和一种湿度发电器件。
背景技术
近年来，各种新型的能源转换方式已经被开发，包括流体发电、热电和摩擦起电等等，其中比较引人注目的是湿气诱导发电技术。
湿气诱导发电的电能可直接来源于环境中湿气扩散产生的化学能。具有官能团浓度梯度分布的材料，例如氧化石墨烯，在与环境中水汽发生水合作用后会电离出载流子，梯度分布的官能团会引起载流子从浓度高的一端向浓度低的一端扩散，从而能形成电压和电流，实现电能的输出。由于载流子的整个移动过程是完全自发的，因此这种能量转换方式具有较高的能量转换效率。现有技术中，湿气发电器件制造中需要对材料进行预处理，例如等离子氧化、化学氧化以及电场诱导等，以便满足不同浓度梯度分布的要求，制造方法较为繁琐，而且制造出的湿气发电器件较为脆弱，缺乏柔性，不利于实际应用。此外，湿气发电器件的制造材料主要是氧化石墨烯及其衍生物，制造成本较高。
因此，如何提出一种湿度发电器件的制造方法，能够降低湿气发电器件的制造成本成为业界亟待解决的重要课题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种湿度发电器件的制造方法和一种湿度发电器件。
一方面，本发明提出一种湿度发电器件的制造方法，包括：
将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并进行干燥处理，获得碳量子点复合材料层；
在所述碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层；
对所述第一金属电极层和所述第二金属电极层分别配置导线；
将所述第一金属电极层或者所述第二金属电极层的表面密封。
另一方面，本发明提供一种湿度发电器件，包括碳量子点复合材料层、第一金属电极层、第二金属电极层、第一导线、第二导线和密封层，其中：
所述第一金属电极层和所述第二金属电极层分别设置在所述碳量子点复合材料层的表面上，所述第一金属电极层与所述第一导线电连接，所述第二金属电极层与所述第二导线电连接，所述密封层设置在所述第一金属电极层或所述第二金属电极层的表面上。
本发明提供的湿度发电器件的制造方法和湿度发电器件，由于能够将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并干燥，获得碳量子点复合材料层，然后在碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层，再对第一金属电极层和第二金属电极层分别配置导线，最后将第一金属电极或者第二金属电极的表面密封，降低了湿气发电器件的制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例湿度发电器件的制造方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例湿度发电器件的制造过程示意图；
图3为本发明另一实施例湿度发电器件的制造过程示意图；
图4为本发明另一实施例湿度发电器件的制造方法的流程示意图；
图5为本发明一实施例湿度发电器件的剖面结构示意图；
图6a为本发明一实施例湿度发电器件在不同湿度条件下的电压示意图；
图6b为本发明一实施例湿度发电器件在不同湿度条件下的电流示意图；
图7为本发明另一实施例湿度发电器件的剖面结构示意图；
附图标记说明：
1-第一金属电极层； 2-碳量子点复合材料层；
3-第二金属电极层； 4-密封层；
5-第一导线； 6-第二导线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
碳量子点是一种新型的碳纳米材料，具有合成简单，原料低廉且广泛，化学稳定性好和无毒等优点。碳量子点通常是由内在的碳核和表面的官能团构成，通过简单的修饰可使其表面具有丰富的含氧基团，这些基团具有高的亲水性，当与环境中水汽作用时，可电离出自由离子。此外，碳量子点具有较小的尺寸，可以通过打印的方式将碳量子点分散在纸张或者其他的柔性基体材料上。基于碳量子点的上述特征，本发明提出一种湿度发电器件的制造方法，通过将碳量子点分散到柔性基体材料上，制造出湿度发电器件，生产成本低，制造方法简单，适用于大规模制造。
图1为本发明一实施例湿度发电器件的制造方法的流程示意图，如图1所示，本发明提供的湿度发电器件的制造方法，包括：
S101、将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并进行干燥处理，获得碳量子点复合材料层；
具体地，将一定浓度的碳量子点溶液分散到平面基体材料的两个表面上，例如可以将所述平面基体材料浸入到所述碳量子点溶液中使所述碳量子点溶液附着到所述平面基体材料的表面上或者将所述碳量子点溶液作为打印墨水通过打印的方式将所述碳量子点溶液打印到所述平面基体材料的表面上。然后进行干燥处理去除水分，例如可以将经过碳量子点溶液分散过程的所述平面基体材料放置在烘箱中进行烘干，从而获得碳量子点复合材料层。可理解的是，可以对经过干燥处理的所述平面基体材料进行裁剪，获得实际需要尺寸的碳量子点复合材料层。其中，所述碳量子点溶液的浓度可以为50mg/ml～600mg/ml；所述平面基体材料包括但不限于滤纸、新闻纸或者打印纸。
S102、在所述碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层；
具体地，在获得所述碳量子点复合材料层后，可以将导电的金属通过磁控溅射的方式在所述碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层。可理解的是，所述第一金属电极层和所述第二金属电极层不接触。
S103、对所述第一金属电极层和所述第二金属电极层分别配置导线；
具体地，在形成所述第一金属电极层和所述第二金属电极层之后，从所述第一金属电极层和所述第二金属电极层分别引出导线，所述导线可以采用铜导线，所述铜导线可以通过焊接的方式焊接到所述第一金属电极层和所述第二金属电极层上，所述导线方便所述湿度发电器件的后续使用。
S104、将所述第一金属电极层或者所述第二金属电极层的表面密封。
具体地，可以利用聚酰亚胺绝缘胶带覆盖所述第一金属电极层或者所述第二金属电极层的表面，从而使所述第一金属电极层或者所述第二金属电极层的表面密封。当所述湿度发电器件处于适合的湿度环境时，所述碳量子点与水汽作用会产生自由离子，如果所述第一金属电极层表面密封，所述碳量子点复合材料层靠近所述第一金属电极层的一侧产生的所述自由离子较少，而所述碳量子点复合材料层靠近所述第二金属电极层的一侧可以接触较多的所述水汽，从而产生较多的所述自由离子，导致所述自由离子在所述碳量子点复合材料层上的浓度分布不均，所述自由离子可以从所述碳量子点复合材料层靠近所述第二金属电极层的一侧向靠近所述第一金属电极层的一侧移动，从而能够产生电能。
本发明提供的湿度发电器件的制造方法，由于能够将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并干燥，获得碳量子点复合材料层，然后在碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层，再对第一金属电极层和第二金属电极层分别配置导线，最后将第一金属电极或者第二金属电极的表面密封，降低了湿气发电器件的制造成本。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并进行干燥处理，获得碳量子点复合材料层包括：
将所述碳量子点溶液分散到所述平面基体材料的两个表面上；
相应地，所述在所述碳量子点复合材料层上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层包括：
在所述碳量子点复合材料层的两个表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层。
具体地，将所述平面基体材料浸入到所述碳量子点溶液中使所述碳量子点溶液附着到所述平面基体材料的两个表面上，然后再进行干燥处理，获得两个表面都有所述碳量子点的碳量子点复合材料层。通过磁控溅射的方式在上述碳量子点复合材料层的一个表面上形成所述第一金属电极层，在上述碳量子点复合材料层的另一个表面上形成所述第二金属电极层。
例如，图2为本发明一实施例湿度发电器件的制造过程示意图，如图2所示，采用滤纸作为所述平面基体材料，将浓度为200mg/ml的碳量子点溶液分散到所述滤纸的两个表面上并烘干，获得碳量子点复合滤纸；通过磁控溅射的方式在所述碳量子点复合滤纸的两个表面上分别镀金属层，形成所述第一金属电极层和所述第二金属电极层；从所述第一金属电极层和所述第二金属电极层分别引出铜导线；利用聚酰亚胺绝缘胶带覆盖所述第一金属电极的表面，从而完成所述湿度发电器件的制造。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并进行干燥处理，获得碳量子点复合材料层包括：
将所述碳量子点溶液分散到所述平面基体材料的一个表面上；
相应地，所述在所述碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层包括：
在所述一个表面上形成第一金属电极层和第二金属电极层。
具体地，可以将所述碳量子点溶液作为打印墨水，装入墨盒中，然后利用打印机将所述碳量子点溶液打印到所述平面基体材料的一个表面上，然后再进行干燥处理，获得一个表面上有所述碳量子点的碳量子点复合材料层。通过磁控溅射的方式在上述碳量子点复合材料层的上述表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层。其中，所述打印机可以采用喷墨打印机。
例如，图3为本发明一实施例湿度发电器件的制造过程示意图，如图3所示，采用滤纸作为所述平面基体材料，将浓度为200mg/ml的碳量子点溶液通过喷墨打印机打印到所述滤纸的一个表面上并烘干，获得碳量子点复合滤纸；通过磁控溅射的方式在所述碳量子点复合滤纸的一个表面上分别镀金属层，形成所述第一金属电极层和所述第二金属电极层；从所述第一金属电极层和所述第二金属电极层分别引出铜导线；利用聚酰亚胺绝缘胶带覆盖所述第一金属电极的表面，从而完成所述湿度发电器件的制造。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述平面基体材料为滤纸、新闻纸或者打印纸。上述平面基体材料具有柔性，使制造出来的湿度发电器件具有柔性，有利于所述湿度发电器件的应用。
图4为本发明另一实施例湿度发电器件的制造方法的流程示意图，如图4所示，所述碳量子点溶液通过如下步骤制备：
S401、将抗坏血酸溶解在去离子水和乙醇的混合溶液中；
具体地，制作去离子水和乙醇的混合溶液，所述混合溶液中所述去离子水和所述乙醇的体积比为1:4～4:1，例如可以为1:1。然后将抗坏血酸放入到所述混合溶液中溶解，可以通过搅拌加快所述抗坏血酸的溶解。其中，所述抗坏血酸的质量根据实际需要进行选择，本发明实施例不做限定。
S402、将溶解抗坏血酸的混合溶液放置在反应釜中进行化学反应，获得悬浮液；其中，所述化学反应的温度设置在150～250℃，所述化学反应的时间为3～8小时；
具体地，将溶解了所述抗坏血酸的混合溶液放置到反应釜中，加热到150～250℃之间，进行化学反应3～8小时，然后冷却获得悬浮液。所述悬浮液中包含有碳量子点以及杂质。
S403、去除所述悬浮液中的杂质，获得所述碳量子点溶液。
具体地，去除所述悬浮液中的杂质，从而获得所述碳量子点溶液。可理解的是，根据实际的需要配置相应浓度的所述碳量子点溶液。
例如，(1)将4g所述抗坏血酸溶解在25ml去离子水和25ml乙醇的混合溶液中，得到溶解所述抗坏血酸的混合溶液；(2)将溶解所述抗坏血酸的混合溶液置于反应釜中，在180℃下反应5小时，即得到所述悬浮液；(3)去除所述悬浮液中的杂质，配制浓度为400mg/ml所述碳量子点溶液，用于所述湿度发电器件的制造。
例如，(1)将4g所述抗坏血酸溶解在100ml去离子水和25ml乙醇的混合溶液中，得到溶解所述抗坏血酸的混合溶液；(2)将溶解所述抗坏血酸的混合溶液置于反应釜中，在250℃下反应3小时，即得到所述悬浮液；(3)去除所述悬浮液中的杂质，配制浓度为50mg/ml所述碳量子点溶液，用于所述湿度发电器件的制造。
例如，(1)将4g所述抗坏血酸溶解在25ml去离子水和100ml乙醇的混合溶液中，得到溶解所述抗坏血酸的混合溶液；(2)将溶解所述抗坏血酸的混合溶液置于反应釜中，在150℃下反应8小时，即得到所述悬浮液；(3)去除所述悬浮液中的杂质，配制浓度为600mg/ml所述碳量子点溶液，用于所述湿度发电器件的制造。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述混合溶液中所述去离子水和所述乙醇的体积比为1:4～4:1。例如所述去离子水和所述乙醇的体积比为2:1或者1:2。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述碳量子点溶液的浓度为50mg/ml～600mg/ml。
图5为本发明一实施例湿度发电器件的剖面结构示意图，如图5所示，本发明提供的湿度发电器件包括碳量子点复合材料层2、第一金属电极层1、第二金属电极层3、第一导线5、第二导线6和密封层4，其中：
第一金属电极层1和第二金属电极层3分别设置在碳量子点复合材料层2的表面上，第一金属电极层1与第一导线5电连接，第二金属电极层3与第二导线6电连接，密封层4设置在第一金属电极层1或第二金属电极层3的表面上。
具体地，碳量子点复合材料层2可以通过将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并进行干燥处理之后获得。可以通过磁控溅射的方式在碳量子点复合材料层2的表面上分别形成第一金属电极层1和第二金属电极层3。从第一金属电极层1引出第一导线5，从第二金属电极层3引出第二导线6，第一导线5可以焊接在第一金属电极层1上，第二导线6可以焊接在第二金属电极层3上。密封层4覆盖在第一金属电极层1或者第二金属电极层3的表面上，密封层4可以采用聚酰亚胺绝缘胶带。其中，所述平面基体材料包括但不限于滤纸、新闻纸或者打印纸。
当所述湿度发电器件处于适合的湿度环境时，碳量子点复合材料层2中的碳量子点会与水汽作用产生自由离子，如果第二金属电极3的表面被密封层4密封，碳量子点复合材料层2靠近第二金属电极层3的一侧产生的自由离子较少，而碳量子点复合材料层2靠近第一金属电极层1的一侧可以接触较多的所述水汽，从而产生较多的所述自由离子，导致所述自由离子在碳量子点复合材料层2上的浓度分布不均，所述自由离子可以从碳量子点复合材料层2靠近第一金属电极层1的一侧向靠近第二金属电极层3的一侧移动，从而能够产生电能。
图6a为本发明一实施例湿度发电器件在不同湿度条件下的电压示意图，图6b为本发明一实施例湿度发电器件在不同湿度条件下的电流示意图，如图6a和图6b所示，对由平面基体材料为A4打印纸，碳量子点溶液浓度为500mg/ml，在A4打印纸的上下两个表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层制作而成的湿度发电器件进行电压和电流的测量。当环境湿度为40％时，所述湿度发电器件产生的电压很小约为8mV，产生的电流几乎为0；当环境湿度为68％时，所述湿度发电器件可以产生的电压最大约为26mV，产生的最大电流约为50nA；当环境湿度为96％时，所述湿度发电器件可以产生的电压最大约为40mV，产生的最大电流约为145nA，并可以持续100分钟对外供电。
所述湿度发电器件在人体身体状况监测和触觉传感领域中具有应用前景。例如，将所述湿度发电器件制作成传感器，对人的呼气频率进行测量；利用所述湿度发电器件对手指的按压进行检测。
本发明提供的湿度发电器件，由于能够将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并干燥，获得碳量子点复合材料层，然后在碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层，再对第一金属电极层和第二金属电极层分别配置导线，最后将第一金属电极或者第二金属电极的表面密封，降低了湿气发电器件的制造成本。
如图5所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，第一金属电极层1和第二金属电极层3分别设置在碳量子点复合材料层2的两个表面上。
例如，碳量子点复合材料层2是通过将碳量子点溶液分散到平面基体材料的两个表面上并进行干燥处理之后获得的，第一金属电极层1设置在碳量子点复合材料层2的上表面，第二金属电极层3设置在碳量子点复合材料层2的下表面。
图7为本发明另一实施例湿度发电器件的剖面结构示意图，如图7所示，第一金属电极层1和第二金属电极层3设置在碳量子点复合材料层2的分散碳量子点的同一个表面上。例如，碳量子点复合材料层2是通过将碳量子点溶液分散到平面基体材料的上表面并进行干燥处理之后获得的，第一金属电极层1和第二金属电极层3都设置在碳量子点复合材料层2的上表面。
在上述各实施例的基础上，进一步地，密封层4采用聚酰亚胺绝缘胶带。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种湿度发电器件的制造方法，其特征在于，包括：
将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并进行干燥处理，获得碳量子点复合材料层；
在所述碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层；
对所述第一金属电极层和所述第二金属电极层分别配置导线；
将所述第一金属电极层或者所述第二金属电极层的表面密封。
2.根据权利要求1所述的湿度发电器件的制造方法，其特征在于，所述将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并进行干燥处理，获得碳量子点复合材料层包括：
将所述碳量子点溶液分散到所述平面基体材料的两个表面上；
相应地，所述在所述碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层包括：
在所述碳量子点复合材料层的两个表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层。
3.根据权利要求1所述的湿度发电器件的制造方法，其特征在于，所述将碳量子点溶液分散到平面基体材料的表面上并进行干燥处理，获得碳量子点复合材料层包括：
将所述碳量子点溶液分散到所述平面基体材料的一个表面上；
相应地，所述在所述碳量子点复合材料层的表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层包括：
在所述一个表面上分别形成第一金属电极层和第二金属电极层。
4.根据权利要求1至3任一项所述的湿度发电器件的制造方法，其特征在于，所述碳量子点溶液通过如下步骤制备：
将抗坏血酸溶解在去离子水和乙醇的混合溶液中；
将溶解抗坏血酸的混合溶液放置在反应釜中进行化学反应，获得悬浮液；其中，所述化学反应的温度设置在150～250℃，所述化学反应的时间为3～8小时；
去除所述悬浮液中的杂质，获得所述碳量子点溶液。
5.根据权利要求4所述的湿度发电器件的制造方法，其特征在于，所述混合溶液中所述去离子水和所述乙醇的体积比为1:4～4:1。
6.根据权利要求1所述的湿度发电器件的制造方法，其特征在于，所述碳量子点溶液的浓度为50mg/ml～600mg/ml。
7.一种湿度发电器件，其特征在于，包括碳量子点复合材料层、第一金属电极层、第二金属电极层、第一导线、第二导线和密封层，其中：
所述第一金属电极层和所述第二金属电极层分别设置在所述碳量子点复合材料层的表面上，所述第一金属电极层与所述第一导线电连接，所述第二金属电极层与所述第二导线电连接，所述密封层设置在所述第一金属电极层或所述第二金属电极层的表面上。
8.根据权利要求7所述的湿度发电器件，其特征在于，所述第一金属电极层和所述第二金属电极层分别设置在所述碳量子点复合材料层的两个表面上。
9.根据权利要求7所述的湿度发电器件，其特征在于，所述第一金属电极层和所述第二金属电极层设置在所述碳量子点复合材料层的分散碳量子点的同一个表面上。
10.根据权利要求7至9任一项所述的湿度发电器件，其特征在于，所述密封层采用聚酰亚胺绝缘胶带。
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