CN111496964A - 基于墨水和玉米秸秆的吸湿发电材料及其制备方法 - Google Patents

基于墨水和玉米秸秆的吸湿发电材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于墨水和玉米秸秆的吸湿发电材料及其制备方法，其中，制备方法包括步骤：(1)配置氯化锂水溶液；(2)将玉米秸秆剥去外皮并切成片状，放在水中煮后干燥；(3)将水煮后的玉米秸秆片一端涂上氯化锂溶液，另一端涂上墨水，干燥后在涂墨水部分缠上导线获得能从空气中收集水并发电的多功能吸湿发电材料。本发明所制备的多功能吸湿发电材料具有优良的亲水性能和独特的孔隙结构，可以高效地从空气中收集水并产电。

Description

基于墨水和玉米秸秆的吸湿发电材料及其制备方法
技术领域
本发明属于空气水水收集材料与湿度发电材料领域，尤其是一种基于氯化锂、墨水和玉米秸秆的可应用于空气中集水以及湿度发电的多功能吸湿发电材料及其制备方法。
背景技术
随着全球范围内工业的快速发展与人口数量的增加，水资源短缺已经成为亟待解决的全球性问题。联合国调查表明，全球有40％的人口正面临淡水资源匮乏。为了解决水资源问题，研究人员开发出多种产水技术，如海水脱盐，污水净化和从空气中收集水等。在这些技术中，空气集水技术近年来获得了大量的关注。一方面，大气中蕴藏着十分丰富的水储量，另一方面，从空气中收集水不需要电能消耗。基于以上两点，空气集水技术被视为解决地区水资源短缺问题，特别是解决干旱地区的用水问题的有效途径。
水收集材料在空气集水技术中起着关键作用，往往需要具有高孔隙率和出色的水吸附特性。近来，各种材料被开发用来收集大气中的水分，如多孔的金属有机框架(MOF)，水凝胶，以及如石墨烯的碳材料等。这些材料可在相对湿度为20％-90％的范围内表现出很好的吸湿性，然后利用太阳能对材料进行加热，产生蒸汽并冷凝回收。尽管研究证明了这些材料用于空气集水的可行性，然而高昂的合成成本与复杂的制备工艺限制了这些吸湿材料的进一步应用。
这些空气集水材料的合成涉及各种昂贵的化学物质，如MOF的前驱体、聚合物水凝胶的单体等，制备过程中应用到离心、超声、冷冻干燥等精细的技术工艺，这些因素大大增加了材料的总成本，阻碍了它们的应用。此外，在干旱和偏远地区，大多数人无法负担如此高额的成本而对于空气集水材料的需求更加迫切。因此，寻找廉价的材料和简单的制备方法对于空气集水材料的实际应用至关重要。
发明内容
发明目的：鉴于以上所述现有空气集水材料以及制备技术的缺点，本发明提供了一种基于氯化锂、墨水与玉米秸秆的多功能吸湿发电材料及其制备方法。
技术方案：本发明所述的一种基于墨水和玉米秸秆的吸湿发电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制浓度为0.1-2mol/L的氯化锂水溶液；
(2)取干燥的玉米秸秆，剥去外皮并切成片状，水煮并干燥；
(3)取步骤(2)处理后的玉米秸秆片，一端滴上步骤(1)的氯化锂溶液，另一端涂上墨水，干燥后将涂有墨水部分连接上导线，获得吸湿发电材料。
具体的，步骤(1)中，在容器中加入0.4-8g氯化锂和100-150ml水，在室温下剧烈搅拌2-3min获得浓度为0.1-2mol/L的氯化锂水溶液。
步骤(2)中，所述水煮是指将玉米秸秆片浸泡在80-100℃的水中煮10-12h。
其中，所述玉米秸秆片尺寸可根据实际情况调整确定，本申请中优选长*宽*厚为5cm×2cm×0.2cm()。
进一步的，步骤(3)中，所述氯化锂溶液滴加量为1-5ml。
进一步的，步骤(3)中，直接将玉米秸秆片另一端浸泡在墨水中1-2h，所述涂上墨水部分的玉米秸秆片长度为2-3cm。
步骤(3)中，所述导线为铜导线。
步骤(3)中，所述墨水为普通商用碳素墨水。
根据上述方法制备所得吸湿发电材料也在本申请的保护范围内。
进一步的，所述吸湿发电材料在80％的湿度环境中，可以获得最高2.3kg/kg的吸湿容量和产生0.55V的开路电压。
有益效果：本发明利用玉米秸秆作为基底，独特的多孔表面结构可为氯化锂提供大量附着位点，有助于氯化锂的均匀负载；利用玉米秸秆作为基底，多孔的表面结构加大了氯化锂与空气的接触面积，有助于氯化锂快速、充分地从空气中吸水；利用玉米秸秆作为基底，天然的输水通道有助于水在涂覆墨水段的快速扩散，加速产电。所制备的氯化锂与墨水包覆的玉米秸秆，可实现空气集水与产电同时进行；所制备的氯化锂与墨水包覆的玉米秸秆，经墨水改性后可获得负的zeta电位，有利于水合氢离子的产生与定向传输。相比于其他方法，本发明所用的工艺更加简单，成本更低廉，实现了农作物废物再利用。
综合来讲，本发明首次提出了一种简单低廉的基于氯化锂、墨水和玉米秸秆的多功能吸湿发电材料及其制备方法，所述材料可高效地从空气中收集水分子并通过太阳能蒸发获得干净的水，极大地降低制备成本且容易实现大规模的生产。同时，本发明设计的多功能吸湿发电材料可在水收集的过程中通过墨水改性产生流动电位并发电。这种基于氯化锂、墨水和玉米秸秆的多功能吸湿发电材料，在空气集水以及微能源回收等领域具有十分广泛的应用前景。
附图说明
图1是未处理的玉米秸秆、本发明制备得到的氯化锂包覆部分的玉米秸秆、墨水包覆部分的玉米秸秆的不同放大倍数的扫描电镜图；
图2是本申请不同氯化锂溶液浓度下所制备的多功能吸湿发电材料在不同温度与不同湿度下的吸水容量图；
图3是本发明制得的多功能吸湿发电材料在一个太阳的光强下蒸发速率与表面温度变化图；
图4是步骤(1)配置氯化锂浓度为1mol/L时制得的多功能吸湿发电材料在不同湿度下的产电电压。
具体实施方式
下面通过实施例对本申请作出详细说明。
本发明使用的墨水为上海晨光文具股份有限公司生产的速干碳素墨水。
实施例1
一种基于墨水和玉米秸秆的多功能吸湿发电材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)在容器中加入2.1g氯化锂和100ml水，在室温下剧烈搅拌3min获得氯化锂水溶液；
(2)将干燥的玉米秸秆剥去外皮并切成长*宽*厚为5cm×2cm×0.2cm片状，浸泡在80℃的水中煮10h并干燥；
(3)将煮好的玉米秸秆片一端滴上5滴氯化锂溶液，另一端涂上墨水，干燥后在涂上墨水部分缠上导线，获得多功能吸湿发电材料。
将制得的多功能吸湿发电材料放置在相对湿度为20％，40％，60％，80％的环境中，并给予5℃，25℃，45℃，65℃的环境温度，分别测试吸湿发电材料在不同湿度与不同温度下的吸水容量，结果如图2(a)所示，根据图示可见，基于墨水和玉米秸秆的多功能吸湿发电材料吸水量随相对湿度的增大而增加；多功能吸湿发电材料吸水量随温度增加先增加后减小，在 45℃时吸水量最大。
实施例2
一种基于墨水和玉米秸秆的多功能吸湿发电材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)在容器中加入4.2g氯化锂和100ml水，在室温下剧烈搅拌3min获得氯化锂水溶液；
(2)将干燥的玉米秸秆剥去外皮并切成长*宽*厚为5cm×2cm×0.2cm片状；浸泡在90℃的水中煮10h并干燥；
(3)将煮好的玉米片一端滴上5滴氯化锂溶液，另一端涂上墨水，干燥后在涂上墨水部分缠上导线，获得多功能吸湿发电材料。
将制得的多功能吸湿发电材料放置在相对湿度为20％，40％，60％，80％的环境中，并给予5℃，25℃，45℃，65℃的环境温度，分别测试吸湿发电材料在不同湿度与不同温度下的吸水容量，结果如图2(b)所示，根据图示可见，基于墨水和玉米秸秆的多功能吸湿发电材料吸水量随相对湿度的增大而增加；多功能吸湿发电材料吸水量随温度增加先增加后减小，在45℃时吸水量最大。
测定该实施例制备所得多功能吸湿发电材料在一个太阳的光强下蒸发速率与表面温度变化：将已经从空气中吸收水分的多功能吸湿发电材料放在太阳光模拟仪下并给予一个太阳的光强，用天平记录蒸发速率的变化并用红外照相机记录光照下多功能吸湿发电材料表面温度的变化，结果如图3所示，根据图示可见，基于墨水和玉米秸秆的多功能吸湿发电材料可在一个太阳的光强下升温到50℃以上，蒸发速率达到0.36kg kg-1h-1。
测定该实施例制得的多功能吸湿发电材料在不同湿度下的产电电压情况：将此多功能吸湿发电材料分别放置在20％，40％，60％，80％的相对湿度下，并记录产生电压随时间的增长曲线，结果如图4所示，根据图示可见，基于墨水和玉米秸秆的多功能吸湿发电材料可在 20％-80％的相对湿度下产电，电压随湿度增加而增大，在80％的相对湿度下可产生0.5V以上的电压。
实施例3
一种基于墨水和玉米秸秆的多功能吸湿发电材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)在容器中加入6.3g氯化锂和100ml水，在室温下剧烈搅拌3min获得氯化锂水溶液；
(2)将干燥的玉米秸秆剥去外皮并切成长*宽*厚为5cm×2cm×0.2cm片状；浸泡在100℃的水中煮10h并干燥；
(3)将煮好的玉米片一端滴上5滴氯化锂溶液，另一端涂上墨水，干燥后在涂上墨水部分缠上导线，获得多功能吸湿发电材料。
分别取样步骤(2)处理后的玉米秸秆片、步骤(3)涂有氯化锂溶液的玉米秸秆片、步骤(3)涂有墨水的玉米秸秆片进行电镜扫描，结果分别如图1中(a)(b)(c)所示，根据图示可见，玉米秸秆表面具有独特的多孔结构，氯化锂与墨水碳均匀地包覆在这些孔洞中。
将制得的多功能吸湿发电材料放置在相对湿度为20％，40％，60％，80％的环境中，并给予5℃，25℃，45℃，65℃的环境温度，分别测试吸湿发电材料在不同湿度与不同温度下的吸水容量，结果如图2(c)所示，根据图示可见，基于墨水和玉米秸秆的多功能吸湿发电材料吸水量随相对湿度的增大而增加；多功能吸湿发电材料吸水量随温度增加先增加后减小，在45℃时吸水量最大。
根据上述测定结果可见，本申请多功能吸湿发电材料的吸水量随步骤(1)中的氯化锂水溶液浓度增加而增大。

Claims (10)

1.一种基于墨水和玉米秸杆的吸湿发电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配制浓度为0.1-2mol/L的氯化锂水溶液；
(2)取干燥的玉米秸杆，剥去外皮并切成片状，水煮并干燥；
(3)取步骤(2)处理后的玉米秸杆片，一端滴上步骤(1)的氯化锂溶液，另一端涂上墨水，干燥后将涂有墨水部分连接上导线，获得吸湿发电材料。
2.根据权利要求1所述的基于墨水和玉米秸杆的吸湿发电材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在容器中加入0.4-8g氯化锂和100-150ml水，在室温下剧烈搅拌2-3min获得浓度为0.1-2mol/L的氯化锂水溶液。
3.根据权利要求1所述的基于墨水和玉米秸杆的吸湿发电材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述水煮是指将玉米秸杆片浸泡在80-100℃的水中煮10-12h。
4.根据权利要求1所述的基于墨水和玉米秸杆的吸湿发电材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述玉米秸杆片长*宽*厚尺寸为5cm×2cm×0.2cm()。
5.根据权利要求1所述的基于墨水和玉米秸杆的吸湿发电材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述氯化锂溶液滴加量为1-5ml。
6.根据权利要求1所述的基于墨水和玉米秸杆的吸湿发电材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，直接将玉米秸杆片另一端浸泡在墨水中1-2h，所述涂上墨水部分的玉米秸杆片长度为2-3cm。
7.根据权利要求1所述的基于墨水和玉米秸杆的吸湿发电材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述导线为铜导线。
8.根据权利要求1所述的基于墨水和玉米秸杆的吸湿发电材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述墨水为普通商用碳素墨水。
9.权利要求1-8中任一所述方法制备所得吸湿发电材料。
10.根据权利要求9所述的吸湿发电材料，其特征在于，所述吸湿发电材料在80％的湿度环境中，可以获得最高2.3kg/kg的吸湿容量和产生0.5V以上的开路电压。
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