CN111204828A - 一种石墨烯-铝基层层组装水伏与海水淡化器件功能区的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯-铝基层层组装水伏与海水淡化器件功能区的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种石墨烯‑铝基层层组装水伏与海水淡化器件功能区的制备方法。在气液界面自组装氧化石墨烯薄膜，抽取水溶液沉积到基底上；将铝颗粒均匀涂覆到氧化石墨烯薄膜表面，重复以上步骤若干次，氧化石墨烯薄膜与铝颗粒层相间排列，干燥后得到氧化石墨烯‑铝涂层；采用微波法还原氧化石墨烯，得到石墨烯‑铝基水伏与海水淡化器件功能区。本发明所述方法制备的水伏与海水淡化器件能够利用等离激元效应吸收光照加热水，依靠涂层的毛细作用和水蒸发自发产生电能，发电方式高度自发，达到更快速蒸发的效果，增加输出功率与淡水产出。

Description

一种石墨烯-铝基层层组装水伏与海水淡化器件功能区的制 备方法
技术领域
本发明涉及水蒸发产电器件与海水淡化器件制备领域，尤其是一种石墨烯-铝基层层组装水伏与海水淡化器件功能区的制备方法。
背景技术
水与能量密切相关，维持着地球系统的能量循环，生物体的温度平衡，是天然的吸能器、储能器、换能器和传能器。太阳辐射到达地表能量的近70％被水吸收，水在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦，比全人类年平均能量消耗功率高出3个数量级。水以热能、动能的形式存储所吸收的热量，更以蒸发、凝结、形云布雨、兴风作浪的形式，把存储的太阳能转化成机械能等多种形式的能量。传统的水能利用模式受自然条件的限制大，容易被地形、气候等外部因素所影响，大型设施设备的建造和使用容易导致生态破坏和成本提升。纳米材料具有显著的量子效应和表面效应，可与各种形式的水发生耦合而输出显著的电信号，如石墨烯可通过双电层的边界运动将拖动和下落水滴的能量直接转化为电能、也可将海水波动能转化为电能。碳黑等纳米结构材料可通过大气环境下无所不在的水的自然蒸发，持续产生伏级的电能。这类直接转化水能为电能的现象称为“水伏效应”。水伏效应为全链条式捕获地球水循环的水能开辟了全新的方向，提升了水能利用能力。苗中正建立了“水伏电池”中的“PN结”概念，通过功能区的非对称设计实现了内建电场以及载流子的梯度变化，在水伏科学与技术领域做出了开创性的研究。水伏效应的研究刚刚起步，需要开发应用环境多样化、能量转化高效、发电成本低廉的新型水伏材料与器件。
随着全球人口数量增加、水污染问题日益严重和地下水的过度开采，水资源缺乏已成为人类社会面临的主要危机之一。有预测称，到了2025年，世界上将有半数的国家面临淡水资源紧张的严峻形势，而到2050年，世界上75％的人口将面临水资源短缺的困境。因此，提升淡水资源供给能力至关重要。随着绿色共享发展理念不断深入，作为“开源”的重要补给储备，海水淡化被视作“解渴”沿海的首善之选。太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，是一种可持续发展的海水淡化技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯-铝基层层组装水伏与海水淡化器件功能区的制备方法。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。在金属品种中，仅次于钢铁，为第二大类金属。铝颗粒利用等离激元效应吸收光照加热水，不同于传统的体加热，可以在铝颗粒的周围产生局域的高温，加热溶液产生蒸汽，达到更快速蒸发的效果。石墨烯可通过双电层理论和电动理论描述的机制捕获雨水、水流、波浪等液态水能，如波动生电、射流生电、液滴生电、蒸发生电、湿度生电等。铝是活泼金属，在干燥空气中铝的表面立即形成透明的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水。氧化铝有较好的耐热稳定性和良好的耐化学腐蚀性能，氧化铝纳米颗粒在水溶液中表面会形成羟基，使表面带有丰富的正电荷。有水从孔隙通道中流过时，孔道表面将会带有丰富的正电荷，因此在致密氧化膜表面将会形成双电层，在流动液体的带动下，阴离子将会在水流方向富集，形成离子浓度差，进而产生流动电压和流动电流。石墨烯与氧化铝电荷产生一致，起协同作用。
本发明采用如下技术方案：
一种石墨烯-铝基层层组装水伏与海水淡化器件功能区的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨烯材料分散在气液界面，自组装成氧化石墨烯薄膜，将柔性基底置于容器底部，柔性基底上设有上电极和下电极的一面朝上，抽取水溶液使氧化石墨烯薄膜沉积到基底上；
(2)将铝颗粒分散在溶剂中，均匀涂覆到氧化石墨烯薄膜表面，干燥；
(3)重复以上步骤若干次，氧化石墨烯薄膜与铝颗粒层相间排列，干燥后得到氧化石墨烯-铝涂层；
(4)采用微波法还原氧化石墨烯，得到石墨烯-铝基水伏与海水淡化器件功能区。
步骤(1)中的氧化石墨烯的尺寸为50nm-100μm，气液界面中的液体为水，自组装成氧化石墨烯薄膜为单层或少层。
步骤(1)中的柔性基底为涤纶树脂膜、聚酰亚胺膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜或铁氟龙胶带，上电极和下电极的电极材料为无机导电材料或金属导电材料，上电极与下电极的电极间隔为1-5cm。
步骤(2)中的铝颗粒平均尺寸为20nm-50μm，溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，每层氧化石墨烯与铝颗粒的质量比为0.001-0.05∶1，干燥时间为1s-1800s，干燥温度为0-80℃。
步骤(3)中的氧化石墨烯-铝涂层厚度为0.5-100μm。
步骤(4)中的微波功率为500-1000W，微波频率为915MHz-2450MHz，微波时间为5-180s。
本发明具有如下优势：
(1)本发明所述方法制备的水伏与海水淡化器件能够依靠石墨烯-铝颗粒涂层的毛细作用和水蒸发自发产生电能，发电方式高度自发，受环境限制少，具备高的能量输出，并且能够长时间维持，适用于多种应用场景，用海水进行蒸发发电时，可以生产淡水。
(2)本发明所述方法采用石墨烯-铝颗粒涂层作为涂层材料，水可以在外层的石墨烯表面形成双电层，纳米铝颗粒利用等离激元效应吸收光照加热水，可以在纳米铝颗粒的周围产生局域的高温，加热溶液产生蒸汽，达到更快速蒸发的效果，使器件吸水与蒸发过程加速，进一步提升器件的输出功率和淡水产出。
(3)本发明所述方法中铝颗粒吸收微波能力强，可以充分还原氧化石墨烯。
(4)本发明所述方法中石墨烯-铝基层层组装避免了石墨烯本身二维材料堆叠带来的弊端，使通道稳定畅通，水流方向沿着石墨烯延伸方向，避免了颗粒结构中水流方向混乱，导致电荷抵消情况的大量发生。
(5)本发明所述方法中制备的涂层中石墨烯与氧化铝电荷产生一致，起协同作用。
(6)本发明所述方法制备工艺简单，所用材料易得，对设备的要求较低，大规模生产。
附图说明
图1为本发明方法所述水伏与海水淡化器件功能区的结构示意图。
图2为本发明方法所述水伏与海水淡化器件功能区的发电原理示意图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)在基底涤纶树脂膜上涂覆上两个碳电极，电极宽度为1cm，电极长度为20cm，上电极和下电极的间隔为4cm。
(2)将平均尺寸为2μm的氧化石墨烯材料分散在气液界面，自组装成氧化石墨烯薄膜，将基底涤纶树脂膜置于容器底部，柔性基底上设有上电极和下电极的一面朝上，抽取水溶液使氧化石墨烯薄膜沉积到基底上。
(3)将粒径平均为500nm的铝颗粒分散在乙醇中，均匀涂覆到氧化石墨烯薄膜表面，干燥。
(4)重复步骤(2)与步骤(3)共4次，氧化石墨烯薄膜与铝颗粒层相间排列，干燥后得到氧化石墨烯-铝涂层。
(5)采用微波法还原氧化石墨烯，微波功率为700W，微波频率为1200MHz，微波时间为30s，得到石墨烯-铝基水伏与海水淡化器件功能区。
(6)在阳光照射条件下，将水伏与海水淡化器件功能区的下电极以与液面的夹角60°置于去离子水中，下电极全部浸没在水中，上电极与液体不接触，随着涂层的毛细作用和水的蒸发，器件产生持续的电压和电流。
实施例2
(1)在基底涤纶树脂膜上涂覆上两个碳电极，电极宽度为1cm，电极长度为20cm，上电极和下电极的间隔为4cm。
(2)将平均尺寸为10μm的氧化石墨烯材料分散在气液界面，自组装成氧化石墨烯薄膜，将基底涤纶树脂膜置于容器底部，柔性基底上设有上电极和下电极的一面朝上，抽取水溶液使氧化石墨烯薄膜沉积到基底上。
(3)将粒径平均为100nm的铝颗粒分散在乙醇中，均匀涂覆到氧化石墨烯薄膜表面，干燥。
(4)重复步骤(2)与步骤(3)共6次，氧化石墨烯薄膜与铝颗粒层相间排列，干燥后得到氧化石墨烯-铝涂层。
(5)采用微波法还原氧化石墨烯，微波功率为700W，微波频率为1200MHz，微波时间为30s，得到石墨烯-铝基水伏与海水淡化器件功能区。
(6)在阳光照射条件下，将水伏与海水淡化器件功能区的下电极以与液面的夹角90°置于盐水中，下电极全部浸没在水中，上电极与液体不接触，随着涂层的毛细作用和水的蒸发，器件产生持续的电压和电流。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种石墨烯-铝基层层组装水伏与海水淡化器件功能区的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨烯材料分散在气液界面，自组装成氧化石墨烯薄膜，将柔性基底置于容器底部，柔性基底上设有上电极和下电极的一面朝上，抽取水溶液使氧化石墨烯薄膜沉积到基底上；
(2)将铝颗粒分散在溶剂中，均匀涂覆到氧化石墨烯薄膜表面，干燥；
(3)重复以上步骤若干次，氧化石墨烯薄膜与铝颗粒层相间排列，干燥后得到氧化石墨烯-铝涂层；
(4)采用微波法还原氧化石墨烯，得到石墨烯-铝基水伏与海水淡化器件功能区。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的氧化石墨烯的尺寸为50nm-100μm，气液界面中的液体为水，自组装成氧化石墨烯薄膜为单层或少层。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的柔性基底为涤纶树脂膜、聚酰亚胺膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜或铁氟龙胶带，上电极和下电极的电极材料为无机导电材料或金属导电材料，上电极与下电极的电极间隔为1-5cm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的铝颗粒平均尺寸为20nm-50μm，溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，每层氧化石墨烯与铝颗粒的质量比为0.001-0.05∶1，干燥时间为1s-1800s，干燥温度为0-80℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的氧化石墨烯-铝涂层厚度为0.5-100μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中的微波功率为500-1000W，微波频率为915MHz-2450MHz，微波时间为5-180s。
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