CN109546884A

CN109546884A - 一种基于滤纸的水驱动纳米发电机及其制备方法

Info

Publication number: CN109546884A
Application number: CN201811568142.2A
Authority: CN
Inventors: 陆元超; 吴坚
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2019-03-29
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: CN109546884B

Abstract

本发明提供一种基于滤纸的水驱动纳米发电机及其制备方法，包括滤纸、碳纳米管浆料和水流动驱动装置；所述滤纸折叠成双十字形状，双十字形状为印刷电极的区域；所述碳纳米管浆料为碳纳米管分散于浓硫酸与浓硝酸的混合强酸中，通过剧烈搅拌、油浴处理、使用去离子水清洗得到呈中性的溶液；所述水流动驱动装置为由微量注射泵推动医用注射器产生液滴水流动；所述碳纳米管浆料在滤纸的双十字形状处绘制电极，滤纸的放置与医用注射器呈一角度。本发明的优点为：本发明制备的纳米发电机是柔性、高鲁棒性、绿色可重复利用的装置，可以用于雨水能量的采集与转化。

Description

一种基于滤纸的水驱动纳米发电机及其制备方法

技术领域

本发明涉及能源存储与发电技术领域，具体涉及一种基于滤纸的水驱动纳米发电机及其制备方法。

背景技术

随着社会与科技的发展，化学能源危机越来越凸显，常规的化石能源彰显出的弊端越来越大。然而，人们对环境保护非常重视，对清洁能源的需求也越来越高。纳米发电机作为一种能够将人们生活中产生的微小电量收集起来，进而对其进行利用而获得清洁能源的装置，对环境保护有着重要的作用。

纳米发电机可以根据原理分为两种常见的类型：一种是摩擦电纳米发电机，该种纳米发电机主要是通过电负性材料与电正性材料的靠近，夺取电子，实现产能的装置；另一种是压电纳米发电机，该种纳米发电机主要是通过电场极化有序排列偶极子，压缩时距离减小，偶极子方向变化产能。

另外，利用水驱动的纳米发电机也是有着广泛的应用与研究。水驱动纳米发电机产生的流动电位作为一种利用太阳能与水的蒸发来驱动电极表面产生微电容从而产生电压与电流。该种产电方式使用的原料为水，能循环使用，不产生任何的废弃物，电极能够重复多次使用，因此实现成本较低、清洁有效、能够大范围使用等优点。

然而，现阶段使用的电极大多是特地制备的复合电极，该种电极的制备过程比较复杂，经常涉及到对电极的亲水性进行处理等操作，导致电极的制备过程成本较高，很难大面积地制备使用，因此，从一定程度上限制了该种水驱动纳米发电机的使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种将滤纸作为毛细作用的主体部分、碳纳米管浆料作为电荷收集电极、稳定、可循环利用的基于滤纸的水驱动纳米发电机及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于滤纸的水驱动纳米发电机，包括滤纸、碳纳米管浆料和水流动驱动装置；

所述滤纸通过折叠具有双十字形状，双十字形状为印刷电极的区域；

所述碳纳米管浆料为碳纳米管分散于浓硫酸与浓硝酸的混合强酸中，通过剧烈搅拌、油浴处理、使用去离子水清洗得到呈中性的溶液；

所述水流动驱动装置为由微量注射泵推动医用注射器产生液滴水流动；

所述碳纳米管浆料在滤纸的双十字形状处绘制电极，滤纸的放置与医用注射器呈一角度。

一种基于滤纸的水驱动纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：

S1）滤纸形状设计

取一片滤纸，从中间对折获取两条垂直的折痕，折痕向外部延伸2cm再次对折，获得另外两条垂直折痕，双十字折痕形状作为印刷电极的区域；

S2）碳纳米管浆料制备

称取1g 羧基化多壁碳纳米管于50 mL浓硫酸与浓硝酸的混合溶液，浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1；

剧烈搅拌均匀后，将混合溶液转移到油浴中并在90℃、500rpm搅拌下加热3h；

取出溶液，待溶液完全冷却至室温，将其转移到50mL离心管中，在13000rpm下离心处理15min，保留沉淀；将沉淀重新分散于去离子水中后再在13000rpm下离心处理15min，保留沉淀；循环此过程直至混合溶液的pH大约为7停止，后将沉淀分散于去离子水中，多壁碳纳米管的含量大约为 10mg mL^-1；

S3）绘制电极

吸取0.05~0.5mL碳纳米管浆料在滤纸双十字折痕区域绘制电极，将电极置于烘箱中60℃加热处理5min，再将电极形状作适当裁剪；

S4）放置电极

由微量注射泵推动医用注射器产生液滴水流动，经裁剪后带有电极的滤纸倾斜放置，与医用注射器呈一角度，滤纸下端为正极，滤纸上端为负极。

进一步地，所述滤纸为定量慢速滤纸或定量中速滤纸或定量快速滤纸或定性慢速滤纸或定性中速滤纸或定性快速滤纸。

进一步地，所述碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管，羧基化多壁碳纳米管直径>50nm，长度为10-20µm，纯度>95%，比表面积 > 40 m²/g，羧基含量为0.49wt%。

进一步地，所述医用注射器内的液滴水为NaCl溶液，NaCl溶液的浓度为0或0.1或1mmol/L。

进一步地，所述微量注射泵推动医用注射器的注射速度为100ml·h^-1或60ml·h^-1或20ml·h^-1。

进一步地，所述滤纸的放置角度为45°或60°或75°。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提出了一种基于滤纸的水驱动纳米发电机及其制备方法，利用改性碳纳米管浆料在滤纸上绘制出结构化形状并剪裁获得纳米发电机电极，通过对滤纸类型和绘制多壁碳纳米管浆料的量的优化，得到产电性能较好的水驱动纳米发电机。发现当多壁碳纳米管浆料的量为0.3mL时，水驱动纳米发电机有最佳的性能。

在测量中，通过对NaCl溶液浓度、溶液的注射速度以及纳米发电机的放置角度的实验与优化，获得了使用滤纸基纳米发电机最优的产电条件。基于液滴在纳米发电机上流动产生的电压大小，本发明发现当使用定量中速滤纸纳米发电机在75°放置角度下，以20mL h^-1的注射速度注射1mmol/L NaCl溶液时能够获得最高的发电性能。

本发明制备的纳米发电机是柔性、高鲁棒性、绿色可重复利用的装置，可以用于雨水能量的采集与转化。

附图说明

图1是本发明一种基于滤纸的水驱动纳米发电机及其制备方法的流程示意图。

图2是本发明以去离子水驱动、60°放置角度、定性中速滤纸纳米发电机在不同的注入速度（100 mL h^-1、60 mL h^-1、20 mL h^-1）下的流动电压图。

图3是本发明以1 mmol/L NaCl 溶液驱动、以60 mL h^-1的注射速度、定性中速滤纸纳米发电机在不同放置角度（45°,60°,75°）下的流动电压图。

图4是本发明以20 mL h^-1的注射速度、75°放置角度、定量中速滤纸纳米发电机在不同浓度NaCl 溶液(0或0.1或1 mmol/L)下的流动电压图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例作进一步详细的描述。

一种基于滤纸的水驱动纳米发电机，包括滤纸、碳纳米管浆料和水流动驱动装置。

如图1所示，所述滤纸通过折叠具有双十字形状，双十字形状为印刷电极的区域；滤纸可采用定量慢速滤纸或定量中速滤纸或定量快速滤纸或定性慢速滤纸或定性中速滤纸或定性快速滤纸。

所述碳纳米管浆料为碳纳米管分散于浓硫酸与浓硝酸的混合强酸中，通过剧烈搅拌、油浴处理、使用去离子水清洗得到呈中性的溶液；碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管，羧基化多壁碳纳米管直径>50nm，长度为10-20µm，纯度>95%，比表面积 > 40 m²/g，羧基含量为0.49wt%；碳纳米管与混合强酸的质量体积比（g：L）为20:1，浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。

所述水流动驱动装置为由微量注射泵推动医用注射器产生液滴水流动；液滴水为NaCl溶液，NaCl溶液的浓度为0或0.1或1 mmol/L，医用注射器的注射速度为100ml·h^-1或60ml·h^-1或20ml·h^-1。

如图1所示，所述碳纳米管浆料在滤纸的双十字形状处绘制电极，滤纸的放置与医用注射器呈一角度，滤纸的放置角度为45°或60°或75°。

S1）滤纸形状设计

取一片滤纸，从中间对折获取两条垂直的折痕，折痕向外部延伸2cm再次对折，获得另外两条垂直折痕，双十字折痕形状作为印刷电极的区域；滤纸可采用定量慢速滤纸或定量中速滤纸或定量快速滤纸或定性慢速滤纸或定性中速滤纸或定性快速滤纸。

S2）碳纳米管浆料制备

称取1g 羧基化多壁碳纳米管于50 mL浓硫酸与浓硝酸的混合溶液，碳纳米管与混合强酸的质量体积比（g：L）为20:1，浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1；碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管，羧基化多壁碳纳米管直径>50nm，长度为10-20µm，纯度>95%，比表面积 > 40 m²/g，羧基含量为0.49wt%；

取出溶液，待溶液完全冷却至室温，将其转移到50mL离心管中，在13000rpm下离心处理15min，保留沉淀；将沉淀重新分散于去离子水中后再在13000rpm下离心处理15min，保留沉淀；循环此过程直至混合溶液的pH大约为7停止，后将沉淀分散于去离子水中，多壁碳纳米管的含量大约为 10mg mL^-1。

S3）绘制电极

S4）放置电极

由微量注射泵推动医用注射器产生液滴水流动，经裁剪后带有电极的滤纸倾斜放置，与医用注射器呈一角度，滤纸下端为正极，滤纸上端为负极，滤纸的放置角度为45°或60°或75°。医用注射器内的液滴水为NaCl溶液，NaCl溶液的浓度为0或0.1或1 mmol/L；微量注射泵推动医用注射器的注射速度为100ml·h^-1或60ml·h^-1或20ml·h^-1。

本发明的基于滤纸的水驱动纳米发电机由吉时利DMM7510数显式采样万用表测试在不同条件下的发电性能。测试的条件为不同类型的滤纸，如定量慢速滤纸或定量中速滤纸或定量快速滤纸或定性慢速滤纸或定性中速滤纸或定性快速滤纸；不同浓度的NaCl溶液，如浓度为0或0.1或1 mmol/L；不同放置角度的滤纸纳米发电机，如放置角度为45°或60°或75°；不同注射速度的液滴水流动，如注射速度为100ml·h^-1或60ml·h^-1或20ml·h^-1。

实施例1、制备以0.3mL碳纳米管浆料在定量中速滤纸上绘制纳米发电机电极

如图1所示，取一片定量中速滤纸从中间对折获取两条垂直的折痕。而后将折痕向外部延伸2cm对折，获得另外两条垂直折痕，即得到所需形状折痕的纸基纳米发电机电极；然后吸取300mL碳纳米管浆料在折痕处绘制出电极，并将电极置于烘箱中60℃加热处理5min，再将电极裁剪成如图1所示的电极形状。

纳米发电机的性能测试使用的是吉时利DMM7510数显式采样万用表。在测试中将电极按照如图1所示放置，液滴水流动的产生方式为由微量注射泵推动医用注射器模拟，不同浓度（0或0.1或1 mmol/L）的NaCl溶液作为测试溶液，以纳米发电机下端作为正极、上端作为负极，在不同放置角度（如图1中的α：45°,60°,75°）下产生电能并进行数据采集。

实施例2、制备以0.3mL碳纳米管浆料在定量慢速滤纸上绘制纳米发电机电极

具体操作同实施例1。

实施例3、制备以0.3mL碳纳米管浆料在定量快速滤纸上绘制纳米发电机电极

具体操作同实施例1。

实施例4、制备以0.3mL碳纳米管浆料在定性慢速滤纸上绘制纳米发电机电极

具体操作同实施例1。

实施例5、制备以0.3mL碳纳米管浆料在定性中速滤纸上绘制纳米发电机电极

具体操作同实施例1。

实施例6、制备以0.3mL碳纳米管浆料在定性快速滤纸上绘制纳米发电机电极

具体操作同实施例1。

实施例7、制备以0.05mL碳纳米管浆料在定量中速滤纸上绘制纳米发电机电极

具体操作同实施例1。

实施例8、制备以0.5mL碳纳米管浆料在定量中速滤纸上绘制纳米发电机电极

具体操作同实施例1。

实施例9、制备以0.3mL碳纳米管浆料在定量中速滤纸上绘制纳米发电机电极

测试的条件为采集的试剂雨水作为测试溶液，以纳米发电机下端作为正极、上端作为负极，在不同放置角度（图一中的α：45°,60°,75°）下进行数据采集与电能产生。其余操作同实施例1。

如图2所示为以去离子水驱动、60°放置角度、定性中速滤纸纳米发电机在不同的注入速度（100 mL h^-1、60 mL h^-1、20 mL h^-1）下的流动电压图。图2为实施例5的部分数据。

如图3所示为以1 mM NaCl 溶液驱动、以60 mL h^-1的注射速度、定性中速滤纸纳米发电机在不同放置角度（45°,60°,75°）下的流动电压图。图3为实施例5的部分数据。

如图4所示为以20 mL h^-1的注射速度、75°放置角度、定量中速滤纸纳米发电机在不同浓度NaCl 溶液下的流动电压图。图4为实施例1的部分数据。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims

1.一种基于滤纸的水驱动纳米发电机，其特征在于：包括滤纸、碳纳米管浆料和水流动驱动装置；

2.一种基于滤纸的水驱动纳米发电机的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1）滤纸形状设计

S2）碳纳米管浆料制备

S3）绘制电极

S4）放置电极

由微量注射泵水平推动医用注射器产生液滴水流动，经裁剪后带有电极的滤纸倾斜放置，与医用注射器呈一角度，滤纸下端为正极，滤纸上端为负极。

3.根据权利要求2所述的一种基于滤纸的水驱动纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述滤纸为定量慢速滤纸或定量中速滤纸或定量快速滤纸或定性慢速滤纸或定性中速滤纸或定性快速滤纸。

4.根据权利要求2所述的一种基于滤纸的水驱动纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管，羧基化多壁碳纳米管直径>50nm，长度为10-20µm，纯度>95%，比表面积 > 40 m²/g，羧基含量为0.49wt%。

5.根据权利要求2所述的一种基于滤纸的水驱动纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述医用注射器内的液滴水为NaCl溶液，NaCl溶液的浓度为0或0.1或1 mmol/L。

6.根据权利要求2所述的一种基于滤纸的水驱动纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述微量注射泵推动医用注射器的注射速度为100ml h^-1或60ml h^-1或20ml h^-1。

7.根据权利要求2所述的一种基于滤纸的水驱动纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述滤纸的放置角度为45°或60°或75°。