CN109831122B - 一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，属于流体发电技术领域。所述蒸发产电器件包括陶土片、上电极、下电极和碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层，将所述蒸发产电器件中的下电极浸入液体中，而上电极与液体不接触，随着液体的蒸发，所述蒸发产电器件产生持续的电压和电流。本发明所述蒸发产电器件的蒸发液体不局限于水，而且能够产生0.6V～1.9V的电压，从而满足智能自供电电子产品的多样化需求。另外，该蒸发产电器件还可以作为一种光控开关使用，进一步拓宽了产电器件的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，属于流体发电技术领域。
背景技术
作为一种新型绿色能源，水力发电引起了一些研究者的关注。科学家们早已预测并证实，由于在电解质和通道壁之间的界面处存在双电层，微/纳米通道中的流体流动会引起电势的产生。在过去十年中，纳米技术的快速发展使流体发电重新回到科学家的视线中。用于水诱导发电的功能材料目前仅集中在碳上，例如无定形碳、石墨烯以及聚合物。然而，除了低和不稳定的输出功率密度之外，现有的水诱导发电仅限于水，使得对产生该影响的深入的物理/化学机制存在理解误差。同时，现有的水力发电很难满足未来智能自供电电子的多样化需求，在需要高电压或无水的条件下，很难改变他们单一的应用范围。为解决上述难题，现在迫切需要开发液体发电的理论基础并探索新的纳米技术和纳米结构，从而使其满足于智能自供电电子产品的多样化需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，以碳纳米球和二氧化钛纳米线的复合材料作为该蒸发产电器件的主体，而且蒸发液体不限于水，并且在液体的蒸发下能够产生0.6V～1.9V的流动感应电压并输出稳定的功率密度，从而使其适用于智能自供电电子产品的多样化需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，所述蒸发产电器件包括陶土片、上电极、下电极和碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层，将所述蒸发产电器件中的下电极浸入液体中，而上电极与液体不接触，随着液体的蒸发，所述蒸发产电器件产生持续的电压和电流。
碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层是将由碳纳米球、二氧化钛纳米线、有机溶剂、乙基纤维素和萜品醇组成的浆料涂覆到具有上、下两个不相接触电极的陶土片上，并在300℃～400℃下退火处理120min～180min制备得到的；其中，碳纳米球与二氧化钛纳米线的质量比为1:1～3:7，碳纳米球和二氧化钛纳米线的质量之和与乙基纤维素的质量比为1:2～1:4，碳纳米球和二氧化钛纳米线的质量之和与萜品醇的质量比为1:5～1:8。
上、下电极分别由水平部分和竖直部分组成，下电极的水平部分完全浸入液体中，且浸入液体中未被碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层覆盖的电极部分需要涂覆环氧树脂，而未浸入液体中且未被碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层覆盖的电极部分可以不涂覆环氧树脂；碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层的长度大于上、下两个电极水平部分之间的距离，且分别覆盖上、下电极的水平部分，长度优选1cm～10cm；碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层的宽度小于上、下两个电极竖直部分之间的距离，且均不覆盖上、下电极的竖直部分，宽度优选1cm～5cm。
碳纳米球是含碳有机材料不完全燃烧产生的，粒径优选20nm～100nm；所述含碳有机材料优选甲苯、乙醇、戊醇或噻吩。具体制备步骤如下：含碳有机材料在醇燃烧器中燃烧，并用陶土片或石英片在火焰外焰部位收集未完全燃烧产生的碳纳米球。
二氧化钛纳米线的表面Zeta电势为负值，且晶型是由锐钛矿型和金红石型按照8:2～9:1的质量比组成的。具体制备步骤如下：先将二氧化钛溶解在浓度为8mol/L～12mol/L的NaOH或KOH溶液中，并在180℃～195℃下反应70h～72h，然后洗涤至中性，再浸入pH为1～2的HCl溶液中20h～24h，再洗涤至中性并干燥，得到二氧化钛纳米线；其中，二氧化钛是由锐钛矿与金红石按照8:2～9:1的质量比组成的，所制备的二氧化钛纳米线的长度优选3μm～10μm。
有机溶剂是具有挥发性的有机溶剂，优选甲醇或乙醇。
液体为水、甲醇、乙醇和丙酮中的一种以上。
电极选用与碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料不反应的电导性物质，优选碳浆电极、导电银胶电极或金电极。
陶土片优选氧化铝陶瓷片。
碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层的厚度优选10μm～30μm。
上电极与液体液面之间的最短距离优选3cm～6cm。
所述蒸发产电器件中的下电极以30°～90°的倾斜角度完全浸没于液体中。
一种光控开关，本发明所述的纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件可以作为光控开关使用，这是因为该蒸发产电器件在无紫外光照射条件下可以发电，而在紫外光条件下停止发电。
有益效果：
(1)采用碳纳米球与二氧化钛纳米线的复合材料，充分发挥了一维与零维相结合的传质优势，并利用多种液体在复合材料中流动得到0.6V～1.9V的电压；且二氧化钛纳米线的使用补充了纳米流动产电材料的种类，使纳米蒸发产电器件能够满足于多种应用，具有较广阔的应用前景；
(2)二氧化钛纳米线的加入，使得该复合材料对紫外光具有较大的敏感性，因此可以将该蒸发产电器件作为一种光控开关，在紫外光的照射下，电压降低至零，而在无紫外光的条件下，电压恢复正常值，通过电压的大小进而控制开与关，这进一步拓宽了产电器件的应用领域。
附图说明
图1为实施例1中制备得的纳米碳/二氧化钛基复合材料蒸发产电器件的结构示意图。
图2为实施例1中制备的碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层的扫描电子显微镜图片。
图3为实施例1中制备的碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层的透射电子显微镜图片。
图4为实施例1中制备的纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件发电产生的电压曲线图。
图5为采用实施例1中制备的纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件作为光控开关的电路示意图。
图6为实施例3中制备的纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件发电产生的电压曲线图。
图7为实施例4中制备的纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件发电产生的电压曲线图。
图8为实施例5中制备的纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件发电产生的电压曲线图。
图9为实施例6中制备的纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件发电产生的电压曲线图。
其中，1-陶土片，2-上电极，3-下电极，4-碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层，5-纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，6-放大器，7-继电器，8-LED灯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
以下实施例中：
P25 TiO2：锐钛矿与金红石的质量比为4:1，北京伊诺凯科技有限公司；
醇燃烧器：酒精灯燃烧器，大龙兴创实验仪器有限公司；
乙基纤维素：分子量为246.30，北京伊诺凯科技有限公司；
使用扫描电子显微镜(Zeiss SUPRA TM 55 SAPPHIRE，德国卡尔蔡司公司)和透射电子显微镜(JEM-2100，日本电子株式会社(JEOL))对纳米碳/二氧化钛复合材料层进行微观形态表征；
使用Keithley 2400万用表测量所制备的纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件随着液体的蒸发所产生的感应电流和感应电压。
实施例1
(1)在Teflon(特氟龙)衬里的不锈钢高压釜中，将2g P25 TiO2溶解在60mL浓度为10mol/L的NaOH溶液中，并在190℃下反应72h，冷却至室温后用去离子水洗涤直至中性，再浸入500mL浓度为0.1mol/L的HCl溶液中24h，随后用去离子水再次洗涤至中性并置于80℃烘箱中干燥8h，得到TiO2纳米线，TiO2纳米线的表面Zeta电势为-16mV；
(2)将甲苯倒入干净的醇燃烧器中并点燃，将干净的氧化铝陶瓷片置于芯吸上方5cm的火焰芯中收集甲苯未完全燃烧产生的碳纳米球；然后，将附着在氧化铝陶瓷片上的碳纳米球通过刮刀小心地刮下来并收集；
(3)将碳纳米球、TiO2纳米线、乙基纤维素和萜品醇加入到100mL乙醇中，并在60℃的油浴中搅拌2h，得到混合均匀的浆料；其中，碳纳米球与TiO2纳米线的质量比为3:7，碳纳米球和TiO2纳米线的质量之和、乙基纤维素、萜品醇的质量比为1:2:6；
(4)采用刷子将浆料直接均匀地涂覆在具有上、下两个不相接触L形碳浆电极的氧化铝陶瓷片上，浆料在碳浆电极竖直部分方向上涂覆的长度为5cm且覆盖两个L形碳浆电极的水平部分，浆料在碳浆电极水平部分方向上涂覆的宽度为3cm且与两个L形碳浆电极的竖直部分不接触，如图1所示；然后，将涂覆浆料的氧化铝陶瓷片置于370℃的马弗炉中进行退火处理150min，最后用环氧树脂覆盖暴露的碳浆电极区域，得到纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件5(简记为EPG器件)；
(5)将EPG器件中下碳浆电极的水平部分以60°的倾斜角度完全浸没于去离子水中，上碳浆电极与去离子水液面不接触且与去离子水液面的最短距离为3cm，随着去离子水的蒸发，EPG器件会产生持续的电压和电流。
如图5所示，将EPG器件与放大器6连接，然后经放大器6输出的信号反应至继电器7上，进而控制LED灯8开关。当无紫外光照射时，EPG器件能够产生电压，进而触发继电器7断开，导致LED灯8熄灭；当在紫外光照射的条件下，EPG器件产生电压为零，进而触发继电器7连接，点亮LED灯8，因此，该纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件能够作为一种光控开关使用。
对在氧化铝陶瓷片上涂覆的浆料进行退火处理后所形成的碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层4进行形貌表征，根据图2和图3可知，所述复合材料涂层中碳纳米球的的直径大约为50nm，二氧化钛纳米线的长度大约为3μm，所述复合材料涂层的厚度约为30μm。
将EPG器件浸入去离子水中后，由于碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料的毛细作用，去离子水会上升一定高度，进而导致EPG器件产生的电压逐渐升高，当毛细作用稳定时，蒸发达到平稳状态，电压会几乎保持不变，并可持续较长时间，该EPG器件能够产生约1.6V的持续稳定电压，如图4所示。
实施例2
(1)在Teflon(特氟龙)衬里的不锈钢高压釜中，将2g P25TiO2溶解在60mL浓度为8mol/L的NaOH溶液中，并在195℃下反应70h，冷却至室温后用去离子水洗涤直至中性，再浸入500mL浓度为0.1mol/L的HCl溶液中20h，随后用去离子水再次洗涤至中性并置于80℃烘箱中干燥8h，得到TiO2纳米线，TiO2纳米线的表面Zeta电势为-15.5mV；
(2)将戊醇倒入干净的醇燃烧器中并点燃，将干净的氧化铝陶瓷片置于芯吸上方5cm的火焰芯中收集戊醇未完全燃烧产生的碳纳米球；然后，将附着在氧化铝陶瓷片上的碳纳米球通过刮刀小心地刮下来并收集；
(3)将碳纳米球、TiO2纳米线、乙基纤维素和萜品醇加入到100mL乙醇中，并在60℃的油浴中搅拌2h，得到混合均匀的浆料；其中，碳纳米球与TiO2纳米线的质量比为2:3，碳纳米球和TiO2纳米线的质量之和、乙基纤维素、萜品醇的质量比为1:3:8；
(4)采用刷子将浆料直接均匀地涂覆在具有上、下两个不相接触L形导电银胶电极的氧化铝陶瓷片上，浆料在导电银胶电极竖直部分方向上涂覆的长度为6cm且覆盖两个L形导电银胶电极的水平部分，浆料在导电银胶电极水平部分方向上涂覆的宽度为2.5cm且与两个L形导电银胶电极的竖直部分不接触，如图1所示；然后，将涂覆浆料的氧化铝陶瓷片置于350℃的马弗炉中进行退火处理120min，最后用环氧树脂覆盖暴露的导电银胶电极区域，得到纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件5(简记为EPG器件)；
(5)将EPG器件中下导电银胶电极的水平部分以45°的倾斜角度完全浸没于去离子水中，上导电银胶电极与去离子水液面不接触且与去离子水液面的最短距离为3cm，随着去离子水的蒸发，EPG器件会产生持续的电压和电流。
对在氧化铝陶瓷片上涂覆的浆料进行退火处理后所形成的碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层4进行形貌表征，根据表征结果可知，所述复合材料涂层中碳纳米球的的直径大约为40nm，二氧化钛纳米线的长度大约为2μm，所述复合材料涂层的厚度约为20μm。
此外，将EPG器件与放大器6、继电器7上以及LED灯8配合使用时(具体电路连接关系如图5所示)，通过紫外光照射或者无紫外光照射EPG器件时，能够相应地控制LED灯8点亮或者熄灭。这是因为EPG器件在无紫外光照射条件下可以发电，而在紫外光条件下停止发电，因此，该EPG器件能够作为一种光控开关使用。
将EPG器件浸入去离子水中后，由于碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料的毛细作用，去离子水会上升一定高度，进而导致EPG器件产生的电压逐渐升高，当毛细作用稳定时，蒸发达到平稳状态，电压会几乎保持不变，并可持续较长时间，该EPG器件能够产生约1.4V的持续稳定电压。
实施例3
(1)在Teflon(特氟龙)衬里的不锈钢高压釜中，将2g P25TiO2溶解在60mL浓度为12mol/L的NaOH溶液中，并在180℃下反应72h，冷却至室温后用去离子水洗涤直至中性，再浸入500mL浓度为0.05mol/L的HCl溶液中24h，随后用去离子水再次洗涤至中性并置于80℃烘箱中干燥8h，得到TiO2纳米线，TiO2纳米线的表面Zeta电势为-15mV；
(2)将甲苯倒入干净的醇燃烧器中并点燃，将干净的氧化铝陶瓷片置于芯吸上方5cm的火焰芯中收集甲苯未完全燃烧产生的碳纳米球；然后，将附着在氧化铝陶瓷片上的碳纳米球通过刮刀小心地刮下来并收集；
(3)将碳纳米球、TiO2纳米线、乙基纤维素和萜品醇加入到100mL乙醇中，并在60℃的油浴中搅拌2h，得到混合均匀的浆料；其中，碳纳米球与TiO2纳米线的质量比为3:7，碳纳米球和TiO2纳米线的质量之和、乙基纤维素、萜品醇的质量比为1:3:6；
(4)采用刷子将浆料直接均匀地涂覆在具有上、下两个不相接触L形碳浆电极的氧化铝陶瓷片上，浆料在碳浆电极竖直部分方向上涂覆的长度为4cm且覆盖两个L形碳浆电极的水平部分，浆料在碳浆电极水平部分方向上涂覆的宽度为4cm且与两个L形碳浆电极的竖直部分不接触，如图1所示；然后，将涂覆浆料的氧化铝陶瓷片置于400℃的马弗炉中进行退火处理150min，最后用环氧树脂覆盖暴露的碳浆电极区域，得到纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件5(简记为EPG器件)；
(5)将EPG器件中下碳浆电极的水平部分以75°的倾斜角度完全浸没于乙醇中，上碳浆电极与乙醇液面不接触且与乙醇液面的最短距离为3cm，随着乙醇的蒸发，EPG器件会产生持续的电压和电流。
对在氧化铝陶瓷片上涂覆的浆料进行退火处理后所形成的碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层4进行形貌表征，根据表征结果可知，所述复合材料涂层中碳纳米球的的直径大约为50nm，二氧化钛纳米线的长度大约为3.5μm，所述复合材料涂层的厚度约为15μm。
此外，将EPG器件与放大器6、继电器7上以及LED灯8配合使用时(具体电路连接关系如图5所示)，通过紫外光照射或者无紫外光照射EPG器件时，能够相应地控制LED灯8点亮或者熄灭。这是因为EPG器件在无紫外光照射条件下可以发电，而在紫外光条件下停止发电，因此，该EPG器件能够作为一种光控开关使用。
将EPG器件浸入乙醇中后，由于碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料的毛细作用，乙醇会上升一定高度，进而导致EPG器件产生的电压逐渐升高，当毛细作用稳定时，蒸发达到平稳状态，电压会几乎保持不变，并可持续较长时间，该EPG器件能够产生约0.6V的持续稳定电压，如图6所示。
实施例4
(1)在Teflon(特氟龙)衬里的不锈钢高压釜中，将2g P25TiO2溶解在60mL浓度为10mol/L的NaOH溶液中，并在180℃下反应72h，冷却至室温后用去离子水洗涤直至中性，再浸入500mL浓度为0.1mol/L的HCl溶液中24h，随后用去离子水再次洗涤至中性并置于80℃烘箱中干燥8h，得到TiO2纳米线，TiO2纳米线的表面Zeta电势为-17mV；
(2)将甲苯倒入干净的醇燃烧器中并点燃，将干净的氧化铝陶瓷片置于芯吸上方5cm的火焰芯中收集甲苯未完全燃烧产生的碳纳米球；然后，将附着在氧化铝陶瓷片上的碳纳米球通过刮刀小心地刮下来并收集；
(3)将碳纳米球、TiO2纳米线、乙基纤维素和萜品醇加入到100mL乙醇中，并在60℃的油浴中搅拌2h，得到混合均匀的浆料；其中，碳纳米球与TiO2纳米线的质量比为1:2，碳纳米球和TiO2纳米线的质量之和、乙基纤维素、萜品醇的质量比为1:2:8；
(4)采用刷子将浆料直接均匀地涂覆在具有上、下两个不相接触L形碳浆电极的氧化铝陶瓷片上，浆料在碳浆电极竖直部分方向上涂覆的长度为6cm且覆盖两个L形碳浆电极的水平部分，浆料在碳浆电极水平部分方向上涂覆的宽度为3cm且与两个L形碳浆电极的竖直部分不接触，如图1所示；然后，将涂覆浆料的氧化铝陶瓷片置于400℃的马弗炉中进行退火处理150min，最后用环氧树脂覆盖暴露的碳浆电极区域，得到纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件5(简记为EPG器件)；
(5)将EPG器件中下碳浆电极的水平部分以50°的倾斜角度完全浸没于甲醇中，上碳浆电极与甲醇液面不接触且与甲醇液面的最短距离为3cm，随着甲醇的蒸发，EPG器件会产生持续的电压和电流。
对在氧化铝陶瓷片上涂覆的浆料进行退火处理后所形成的碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层4进行形貌表征，根据表征结果可知，所述复合材料涂层中碳纳米球的的直径大约为45nm，二氧化钛纳米线的长度大约为3μm，所述复合材料涂层的厚度约为20μm。
此外，将EPG器件与放大器6、继电器7上以及LED灯8配合使用时(具体电路连接关系如图5所示)，通过紫外光照射或者无紫外光照射EPG器件时，能够相应地控制LED灯8点亮或者熄灭。这是因为EPG器件在无紫外光照射条件下可以发电，而在紫外光条件下停止发电，因此，该EPG器件能够作为一种光控开关使用。
将EPG器件浸入甲醇中后，由于碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料的毛细作用，甲醇会上升一定高度，进而导致EPG器件产生的电压逐渐升高，当毛细作用稳定时，蒸发达到平稳状态，电压会几乎保持不变，并可持续较长时间，该EPG器件能够产生约1.9V的持续稳定电压，如图7所示。
实施例5
(1)在Teflon(特氟龙)衬里的不锈钢高压釜中，将2g P25TiO2溶解在60mL浓度为10mol/L的NaOH溶液中，并在180℃下反应72h，冷却至室温后用去离子水洗涤直至中性，再浸入500mL浓度为0.1mol/L的HCl溶液中24h，随后用去离子水再次洗涤至中性并置于80℃烘箱中干燥8h，得到TiO2纳米线，TiO2纳米线的表面Zeta电势为-16.5mV；
(2)将甲苯倒入干净的醇燃烧器中并点燃，将干净的氧化铝陶瓷片置于芯吸上方5cm的火焰芯中收集甲苯未完全燃烧产生的碳纳米球；然后，将附着在氧化铝陶瓷片上的碳纳米球通过刮刀小心地刮下来并收集；
(3)将碳纳米球、TiO2纳米线、乙基纤维素和萜品醇加入到100mL乙醇中，并在60℃的油浴中搅拌2h，得到混合均匀的浆料；其中，碳纳米球与TiO2纳米线的质量比为3:7，碳纳米球和TiO2纳米线的质量之和、乙基纤维素、萜品醇的质量比为1:3:6；
(4)采用刷子将浆料直接均匀地涂覆在具有上、下两个不相接触L形碳浆电极的氧化铝陶瓷片上，浆料在碳浆电极竖直部分方向上涂覆的长度为5cm且覆盖两个L形碳浆电极的水平部分，浆料在碳浆电极水平部分方向上涂覆的宽度为4cm且与两个L形碳浆电极的竖直部分不接触，如图1所示；然后，将涂覆浆料的氧化铝陶瓷片置于400℃的马弗炉中进行退火处理150min，最后用环氧树脂覆盖暴露的碳浆电极区域，得到纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件5(简记为EPG器件)；
(5)将EPG器件中下碳浆电极的水平部分以60°的倾斜角度完全浸没于甲醇丙酮共沸物(甲醇与丙酮的质量比为12：88)中，上碳浆电极与甲醇丙酮共沸物液面不接触且与甲醇丙酮共沸物液面的最短距离为3cm，随着甲醇丙酮共沸物的蒸发，EPG器件会产生持续的电压和电流。
对在氧化铝陶瓷片上涂覆的浆料进行退火处理后所形成的碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层4进行形貌表征，根据表征结果可知，所述复合材料涂层中碳纳米球的的直径大约为45nm，二氧化钛纳米线的长度大约为2.5μm，所述复合材料涂层的厚度约为30μm。
此外，将EPG器件与放大器6、继电器7上以及LED灯8配合使用时(具体电路连接关系如图5所示)，通过紫外光照射或者无紫外光照射EPG器件时，能够相应地控制LED灯8点亮或者熄灭。这是因为EPG器件在无紫外光照射条件下可以发电，而在紫外光条件下停止发电，因此，该EPG器件能够作为一种光控开关使用。
将EPG器件浸入甲醇丙酮共沸物后，由于碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料的毛细作用，甲醇丙酮共沸物会上升一定高度，进而导致EPG器件产生的电压逐渐升高，当毛细作用稳定时，蒸发达到平稳状态，电压几乎保持不变，并可持续较长时间，该EPG器件能够产生约0.7V的持续稳定电压，如图8所示。
实施例6
(1)在Teflon(特氟龙)衬里的不锈钢高压釜中，将2g P25TiO2溶解在60mL浓度为10mol/L的NaOH溶液中，并在180℃下反应72h，冷却至室温后用去离子水洗涤直至中性，再浸入500mL浓度为0.1mol/L的HCl溶液中24h，随后用去离子水再次洗涤至中性并置于80℃烘箱中干燥8h，得到TiO2纳米线，TiO2纳米线的表面Zeta电势为-16.5mV；
(2)将甲苯倒入干净的醇燃烧器中并点燃，将干净的氧化铝陶瓷片置于芯吸上方5cm的火焰芯中收集甲苯未完全燃烧产生的碳纳米球；然后，将附着在氧化铝陶瓷片上的碳纳米球通过刮刀小心地刮下来并收集；
(3)将碳纳米球、TiO2纳米线、乙基纤维素和萜品醇加入到100mL乙醇中，并在60℃的油浴中搅拌2h，得到混合均匀的浆料；其中，碳纳米球与TiO2纳米线的质量比为3:7，碳纳米球和TiO2纳米线的质量之和、乙基纤维素、萜品醇的质量比为1:3:6；
(4)采用刷子将浆料直接均匀地涂覆在具有上、下两个不相接触L形碳浆电极的氧化铝陶瓷片上，浆料在碳浆电极竖直部分方向上涂覆的长度为5cm且覆盖两个L形碳浆电极的水平部分，浆料在碳浆电极水平部分方向上涂覆的宽度为4cm且与两个L形碳浆电极的竖直部分不接触，如图1所示；然后，将涂覆浆料的氧化铝陶瓷片置于400℃的马弗炉中进行退火处理150min，最后用环氧树脂覆盖暴露的碳浆电极区域，得到纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件5(简记为EPG器件)；
(5)将EPG器件中下碳浆电极的水平部分以60°的倾斜角度完全浸没于丙酮中，上碳浆电极与丙酮液面不接触且与丙酮液面的最短距离为3cm，随着丙酮的蒸发，EPG器件会产生持续的电压和电流。
对在氧化铝陶瓷片上涂覆的浆料进行退火处理后所形成的碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层4进行形貌表征，根据表征结果可知，所述复合材料涂层中碳纳米球的的直径大约为45nm，二氧化钛纳米线的长度大约为2.5μm，所述复合材料涂层的厚度约为30μm。
此外，将EPG器件与放大器6、继电器7上以及LED灯8配合使用时(具体电路连接关系如图5所示)，通过紫外光照射或者无紫外光照射EPG器件时，能够相应地控制LED灯8点亮或者熄灭。这是因为EPG器件在无紫外光照射条件下可以发电，而在紫外光条件下停止发电，因此，该EPG器件能够作为一种光控开关使用。
将EPG器件浸入丙酮中后，由于碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料的毛细作用，丙酮会上升一定高度，进而导致EPG器件产生的电压逐渐升高，当毛细作用稳定时，蒸发达到平稳状态，电压会几乎保持不变，并可持续较长时间，该EPG器件能够产生约0.8V的持续稳定电压，如图9所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，其特征在于：所述蒸发产电器件包括陶土片(1)、上电极(2)、下电极(3)和碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层(4)，将所述蒸发产电器件中的下电极(3)浸入液体中，而上电极(2)与液体不接触，随着液体的蒸发，所述蒸发产电器件产生持续的电压和电流；
液体为水、甲醇、乙醇和丙酮中的一种以上；
上电极(2)以及下电极(3)分别由水平部分和竖直部分组成，下电极(3)的水平部分完全浸入液体中，而浸入液体中且未被碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层(4)覆盖的电极部分还需要涂覆环氧树脂；
碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层(4)是将由碳纳米球、二氧化钛纳米线、具有挥发性的有机溶剂、乙基纤维素和萜品醇组成的浆料涂覆到具有上、下两个不相接触电极的陶土片(1)上，并在300℃～400℃下退火处理120min～180min制备得到的；
其中，碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层(4)的长度大于上电极(2)水平部分与下电极(3)水平部分之间的距离，且分别覆盖上电极(2)水平部分以及下电极(3)水平部分；碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层(4)的宽度小于上电极(2)竖直部分与下电极(3)竖直部分之间的距离，且均不覆盖上电极(2)竖直部分以及下电极(3)竖直部分；碳纳米球与二氧化钛纳米线的质量比为1:1～3:7，碳纳米球和二氧化钛纳米线的质量之和与乙基纤维素的质量比为1:2～1:4，碳纳米球和二氧化钛纳米线的质量之和与萜品醇的质量比为1:5～1:8，所述碳纳米球是含碳有机材料不完全燃烧产生的，所述二氧化钛纳米线的表面Zeta电势为负值且其晶型是由锐钛矿型和金红石型按照8:2～9:1的质量比组成的。
2.根据权利要求1所述的一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，其特征在于：所述含碳有机材料为甲苯、乙醇、戊醇或噻吩。
3.根据权利要求1所述的一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，其特征在于：具有挥发性的有机溶剂为甲醇或乙醇。
4.根据权利要求1所述的一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，其特征在于：上电极(2)和下电极(3)均为碳浆电极、导电银胶电极或金电极。
5.根据权利要求1所述的一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，其特征在于：碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层(4)的长度为1cm～10cm，宽度为1cm～5cm。
6.根据权利要求1所述的一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，其特征在于：碳纳米球/二氧化钛纳米线复合材料涂层(4)的厚度为10μm～30μm。
7.根据权利要求1所述的一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，其特征在于：上电极(2)与液体液面之间的最短距离为3cm～6cm。
8.根据权利要求1所述的一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，其特征在于：下电极(3)以30°～90°的倾斜角度完全浸没于液体中。
9.根据权利要求1所述的一种纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件，其特征在于：碳纳米球的粒径为20nm～100nm，二氧化钛纳米线的长度为3μm～10μm。
10.一种光控开关，其特征在于：将权利要求1至9任一项所述的纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件(5)作为光控开关使用，所述纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件(5)在紫外光照射条件下停止发电，所述纳米碳/二氧化钛复合材料的蒸发产电器件(5)在无紫外光照射条件下发电。
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