CN111542138A - 离子导体的电致发热方法和应用 - Google Patents

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朱世平
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张祺
韩宗益
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Abstract

本发明提供了一种离子导体的电致发热方法和应用，涉及离子导体加热技术领域。该离子导体的电致发热方法，通过电极对离子导体施加特征频率对应的交流电压，从而实现离子导体的电致发热，其中，所述特征频率为离子导体在电路相位角为‑10°～10°时的频率；该电致发热方法能够有效抑制或消除电极‑离子导体界面上的双电层电容的产生，从而在减弱或避免电化学反应、抑制电极腐蚀、电解等副反应发生的同时，实现对离子导体的快速、均匀加热。本发明还提供了上述离子导体的电致发热方法的应用。

Description

离子导体的电致发热方法和应用
技术领域
本发明属于离子导体加热技术领域，具体涉及一种离子导体的电致发热方法和应用。
背景技术
电流通过导体会产生热量，即焦耳加热。现有技术多是利用电阻器20和电极30对外部介质10进行焦耳加热，如图1所示，然后将所生成的热量用作其他用途的，例如“热得快”，“电暖片”等。上述的焦耳加热多以热传导的方式进行，由于热传导通常需要一定的时间，故存在加热慢且加热不均匀的缺点。
而利用离子导体的焦耳加热相当于是让介质10(离子导体)通过电极30在电流作用下产生热量，如图2所示。所以利用离子导体的这种加热方式加热快速又均匀。现阶段对离子导体例如盐溶液、凝胶、聚合物电解质、离子导电陶瓷或饮用水直接进行焦耳加热的研究与应用几乎陷于停滞，这主要是由于电流通过离子导体时，容易导致电极-离子导体界面发生电化学反应(电化学反应会产生部分气泡，如图2所示)，从而影响加热效果。如何减弱或者消除电极-离子导体界面的电化学反应的发生是本领域所面临的一大难题，故现阶段还没有有效地利用离子导体进行焦耳加热的方法。
有鉴于此，特提出本发明以解决上述技术问题中的至少一个。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种离子导体的电致发热方法，该电致发热方法可减弱或避免电极-离子导体界面电化学反应的发生，实现对离子导体的快速、均匀加热。
本发明的第二目的在于提供上述离子导体的电致发热方法的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种离子导体的电致发热方法，包括以下步骤：
通过电极对离子导体施加特征频率对应的交流电压，用于实现离子导体的电致发热；
其中，所述特征频率为离子导体在电路相位角为-10°～10°时的频率。
进一步地，在本发明上述技术方案的基础之上，所述电路相位角为-5°～5°，优选为-2°～2°，进一步优选-1°～1°。
进一步地，在本发明上述技术方案的基础之上，所述特征频率通过以下方法得到：先测量出离子导体的电化学阻抗谱，再根据电化学阻抗谱获得离子导体在电路相位角为-10°～10°时的频率。
进一步地，在本发明上述技术方案的基础之上，测量离子导体的电化学阻抗谱时施加的电压振幅在1V以内，且不加偏压；
优选地，测量离子导体的电化学阻抗谱时施加的电压振幅为5-500mV；
优选地，采用阻抗仪测量离子导体的电化学阻抗谱。
进一步地，在本发明上述技术方案的基础之上，所述离子导体包括液态离子导体和/或固态离子导体；
优选地，所述液态离子导体包括盐溶液、离子液体、聚电解质溶液、含电解质的乳液或含电解质的悬浊液中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述固态离子导体包括离子凝胶、凝胶电解质、聚合物电解质或离子导电陶瓷中的任意一种或至少两种的组合。
进一步地，在本发明上述技术方案的基础之上，所述盐溶液的溶质包括氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、氯化锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸锂、硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、硝酸锂、四氟硼酸钠、四氟硼酸钾、四氟硼酸锂、六氟磷酸钠、六氟磷酸钾、六氟磷酸锂、高氯酸钠、高氯酸锂、高氯酸钾、醋酸钠、醋酸钾、醋酸锂、三氟乙酸钠、三氟乙酸钾、三氟乙酸锂、三氟甲磺酸钠、三氟甲磺酸锂、三氟甲磺酸钾、双三氟甲磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺钠、双三氟甲磺酰亚胺钾或离子液体中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述盐溶液的溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、二氧六环、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯或聚乙二醇中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述离子液体包括咪唑类离子液体、季铵盐类离子液体或季鏻类离子液体中的任意一种；
优选地，所述咪唑类离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述季胺盐类离子液体包括三丁基甲基铵双三氟甲磺酰亚胺盐；
优选地，所述季鏻类离子液体包括四丁基膦双三氟甲磺酰亚胺盐和/或三丁基乙基膦双三氟甲磺酰亚胺盐；
优选地，所述聚电解质溶液包括离子交换树脂、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯磺酸、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯磺酸、聚乙烯磷酸、聚乙烯亚胺、聚乙烯胺或聚乙烯吡啶中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述含电解质的乳液包括水包油乳液和/或双水相乳液；
优选地，所述含电解质的悬浊液包括有机颗粒分散液和/或无机颗粒分散液；
优选地，所述离子凝胶包括PFEA-[EMIM]TF2N、PEA-[EMIM]TF2N、PMMA-BMIPF6、PEOEMA-BMIPF6、PHEMA-EMIBF4、PHEMA-BPBF4、PMMA-EMITFSI或PEO-PMA-EMITFSI中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述凝胶电解质包括聚丙烯酰胺水凝胶、聚甲基丙烯酸甲酯有机凝胶或聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物有机凝胶中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述聚合物电解质包括聚氧乙烯基聚合物电解质、聚偏氟乙烯基聚合物电解质或聚丙烯酸酯基聚合物电解质中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述离子导电陶瓷包括硅酸锂、锗酸锂、氧化锆、氧化钙、β-氟化铅、α-碘化银或α-碘化铜中的任意一种或至少两种的组合。
进一步地，在本发明上述技术方案的基础之上，所述离子导体的电致发热方法包括以下步骤：
(a)采用阻抗仪测量出离子导体的电化学阻抗谱，再根据电化学阻抗谱获得离子导体在电路相位角为-10°～10°时的特征频率；
(b)通过电极对离子导体施加所述特征频率对应的交流电压，用于实现离子导体的电致发热。
进一步地，在本发明上述技术方案的基础之上，在电极与离子导体的界面有极少量双电层电容结构产生或不会有双电层电容结构产生。
本发明还提供了上述离子导体的电致发热方法在在食品、化工、材料合成加工或水处理领域中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供了一种离子导体的电致发热方法，通过电极对离子导体施加特征频率对应的交流电压，从而实现离子导体的电致发热，其中，所述特征频率为离子导体在电路相位角为-10°～10°时的特征频率；该电致发热方法能够有效抑制或消除电极-离子导体界面上的双电层电容，从而减弱或避免电化学反应、抑制电极腐蚀、电解等副反应发生的同时，实现对离子导体的快速、均匀加热。
(2)本发明提供了上述离子导体的电致发热方法的应用，鉴于上述离子导体的电致发热方法可实现离子导体自身的快速、均匀加热，也可实现利用离子导体对其他介质或者部件进行快速、均匀加热的目的，使得该离子导体的电致发热方法可应用于食品、化工、材料合成加工或水处理等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为现有技术利用电阻器进行焦耳加热的结构示意图；
图2为现有技术利用离子导体进行焦耳加热的结构示意图；
图3为双电层电容理论示意图，其中，a为刚施加电压时离子导体中阴阳离子在电场作用下的迁移示意图，b为两电极中间的电场为0时，离子导体中阴阳离子迁移到电极表面形成双电层电容结构的示意图；c为当施加电压大于双层电容结构的击穿电压时，双电层电容结构被击穿的示意图；
图4为不同种类物质的阻抗随频率的变化曲线，其中，a为绝缘体(VHB 4910)的阻抗随频率变化曲线，b为离子导体(离子凝胶)的阻抗随频率变化曲线，c为电子导体(碳棒)的阻抗随频率变化曲线；
图5为不同种类物质的电路负相位角随频率变化曲线，其中，a为电路元件为绝缘体(VHB 4910)时的电路负相位角随频率变化曲线，b为电路元件为离子导体(离子凝胶)时的电路负相位角随频率变化曲线，c为电路元件为电子导体(碳棒)时的电路负相位角随频率变化曲线；
图6为本发明一种实施方式下的离子导体的电致发热方法的装置结构简图；
图7为本发明实施例1的装置实物图；
图8为本发明实施例1中有机溶剂盐溶液的温度和电路电流随时间变化曲线；
图9为本发明实施例2中离子液体的红外热像图，其中(a)为加热15s后的离子液体的红外热像图，(b)为加热90s后的离子液体的红外热像图；
图10为本发明实施例4中离子凝胶的温度和电路电流随温度变化曲线；
图11为实施例2中的电极在进行电致加热前后的对比图，其中，(a)为电致加热前的电极，(b)为经过10次利用本发明中方法电致加热后的电极，(c)为施加110V、50Hz交流电进行1次电致加热后的电极。
图标：10-介质；20-电阻器；30-电极；40-电压放大器；50-信号产生器。
具体实施方式
下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明创造性地发现，电极附近发生电化学反应与电极-离子导体界面上的双电层电容结构密切相关。当给电极施加一个电压时，电极-离子导体界面就会形成双电层电容结构，如图3中a和b所示。其中，图3中a表示刚施加电压时，两电极中间的电场最大，离子导体中的阴阳离子在电场作用下开始迁移。图3中b表示离子导体中阴阳离子迁移到电极表面形成双电层电容结构稳态，两电极中间的电场为0，离子导体中阴阳离子不再迁移。所形成的这种双电层电容结构相当于一个平行板电容器。当双电层电容结构完全形成后，如果外界施加的电压大于双电层电容的击穿电压，双电层电容结构被击穿，离子导体中的离子将与电极发生电化学反应，电极就会被腐蚀，如图3中c所示。因此想要抑制电极附近的电化学反应，可以从减少或者消除电路中的双电层电容的产生入手。
在一个电路中，如果电路中存在电容成分，那么这个电路的相位角(电压和电流相位角的差值)就会为负值。而如果电路中只有电阻成分时，电路的相位角为0。因此，当电路中的相位角为0时，就意味着电路中没有双电层电容。从图4和图5中可以看出，对于离子导体，当施加的电流频率处于某个特定区间时，电路的相位角非常接近0。这就意味着电路中基本没有双电层电容，因此对离子导体进行焦耳加热也基本不会有电化学反应发生。故本发明提出利用电路中的接近零相位频率下的交流电对离子导体进行焦耳加热。
根据本发明的第一个方面，提供了一种离子导体的电致发热方法，包括以下步骤：
通过电极对离子导体施加特征频率对应的交流电压，用于实现离子导体的电致发热；
其中，所述特征频率为离子导体在电路相位角为-10°～10°时的频率。
具体的，离子导体是依靠离子定向移动来导电的导体。常见的离子导体包括液态离子导体、固态离子导体等。
电极在本发明中是用作离子导体输入或导出电流的两个端。通过电极输入或导出电流，从而实现离子导体中离子的定向移动导电。
在本发明中，特征频率为离子导体在电路相位角为-10°～10°时的频率，选择特定范围的电路相位角以确保在此电路相位角范围内电路中基本没有双电层电容产生。在本发明中，电路相位角为-10°～10°，典型但非限制性的电路相位角为-10°、-9°、-8°、-7°、-6°、-5°、-4°、-3°、-2°、-1°、0°、1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°或10°。对于电路相位角的选择或测定，可采用本领域常见的方式，例如可采用测量离子导体的电化学阻抗谱的方式找出离子导体在特定相位角时的特征频率。
需要说明的是，不同种类的离子导体，其在电路相位角为-10°～10°时的特征频率很可能不同，故需要根据不同种类的离子导体测量其在电路相位角为-10°～10°时所对应的特征频率。
测量离子导体在特定电路相位角的特征频率后，通过电极对离子导体施加特征频率对应的交流电压，就可实现对离子导体的电致发热。
特征频率对应的交流电压可通过电压放大器进行调节和测量。
还需要说明的是，对于固定装置以及固定的被加热的离子导体，离子导体在电路相位角为-10°～10°时的特征频率是基本确定的。因此，在采用固定的装置以及固定的离子导体在进行电致发热过程中，其在电路相位角为-10°～10°时的特征频率不需每次都进行测量。
本发明提供了一种离子导体的电致发热方法，该电致发热方法通过电极对离子导体施加特征频率对应的交流电压，从而实现离子导体的电致发热，其中，所述特征频率为离子导体在电路相位角为-10°～10°时的特征频率；该电致发热方法能够有效抑制或消除电极-离子导体界面上的双电层电容的产生，从而减弱或避免电化学反应、抑制电极腐蚀、电解等副反应发生的同时，实现对离子导体的快速、均匀加热。
作为本发明的一种可选实施方式，电路相位角为-5°～5°，优选为-2°～2°，进一步优选-1°～1°。典型但非限制性的电路相位角为-5°、-4°、-3°、-2°、-1°、-0°、1°、2°、3°、4°或5°。
通过对电路相位角数值范围的进一步限定，使得双电层电容结构进一步被消除，进而有效抑制并避免电极的电化学反应。
作为本发明的一种可选实施方式，特征频率通过以下方法得到：先测量出离子导体的电化学阻抗谱，再根据电化学阻抗谱获得离子导体在电路相位角为-10°～10°时的频率。
电化学阻抗谱包括电路相位角随频率变化的数据，因此可以直接通过电化学阻抗谱的数据找出离子导体在特定相位角下对应的频率。
作为本发明的一种可选实施方式，测量离子导体的电化学阻抗谱时施加的电压振幅在1V以内，且不加偏压。
测量离子导体的电化学阻抗谱时施加的电压振幅典型但非限制性的为0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、0.6V、0.7V、0.8V、0.9V或1.0V。
优选地，测量离子导体的电化学阻抗谱时施加的电压振幅为5-500mV。
作为本发明的一种可选实施方式，采用阻抗仪测量出离子导体的电化学阻抗谱。
作为本发明的一种可选实施方式，先利用信号产生器产生所述特征频率对应的交流电压信号，再将所述交流电压信号放大，得到所述特征频率对应的交流电压。
从上述特征频率得到交流电压的过程以及所应用到的设备，例如信号产生器、电压放大器等，均是本领域常用的设备，此处不再赘述。
作为本发明的一种可选实施方式，离子导体包括液态离子导体和/或固态离子导体。所述的“和/或”是指该离子导体可以只包括液态离子导体，也可以只包括固态离子导体，或者同时包括液态离子导体和固态离子导体。
作为本发明的一种可选实施方式，液态离子导体包括盐溶液、离子液体、聚电解质溶液、含电解质的乳液或含电解质的悬浊液中的任意一种或至少两种的组合。
一般来说，只要能解离的无机盐溶液或者有机盐溶液都可以作为盐溶液。作为本发明的一种可选实施方式，盐溶液的溶质包括氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、氯化锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸锂、硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、硝酸锂、四氟硼酸钠、四氟硼酸钾、四氟硼酸锂、六氟磷酸钠、六氟磷酸钾、六氟磷酸锂、高氯酸钠、高氯酸锂、高氯酸钾、醋酸钠、醋酸钾、醋酸锂、三氟乙酸钠、三氟乙酸钾、三氟乙酸锂、三氟甲磺酸钠、三氟甲磺酸锂、三氟甲磺酸钾、双三氟甲磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺钠、双三氟甲磺酰亚胺钾或离子液体中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明的一种可选实施方式，盐溶液的溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、二氧六环、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯或聚乙二醇中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明的一种可选实施方式，离子液体包括咪唑类离子液体、季铵盐类离子液体或季鏻类离子液体中的任意一种；
优选地，所述咪唑类离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述季胺盐类离子液体包括三丁基甲基铵双三氟甲磺酰亚胺盐。
优选地，所述季鏻类离子液体包括四丁基膦双三氟甲磺酰亚胺盐和/或三丁基乙基膦双三氟甲磺酰亚胺盐。
作为本发明的一种可选实施方式，聚电解质溶液包括离子交换树脂、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯磺酸、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯磺酸、聚乙烯磷酸、聚乙烯亚胺、聚乙烯胺或聚乙烯吡啶中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明的一种可选实施方式，含电解质的乳液包括水包油乳液和/或双水相乳液。
作为本发明的一种可选实施方式，含电解质的悬浊液包括有机颗粒分散液和/或无机颗粒分散液。
作为本发明的一种可选实施方式，固态离子导体包括离子凝胶、凝胶电解质、聚合物电解质或离子导电陶瓷中的任意一种或至少两种的组合。
离子凝胶是指离子液体溶胀的交联聚合物网络，也就是聚合物+离子液体，其组分中离子液体即常见的室温离子液体。作为本发明的一种可选实施方式，离子凝胶包括聚丙烯酸三氟乙酯-1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(PFEA-[EMIM]TF2N)、聚丙烯酸乙酯-1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(PEA-[EMIM]TF2N)、聚甲基丙烯酸甲酯-1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(PMMA-BMIPF6)、聚甲基丙烯酸-2-乙氧基乙酯-1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(PEOEMA-BMIPF6)、聚羟乙基甲基丙烯酸酯-1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(PHEMA-EMIBF4)、聚羟乙基甲基丙烯酸酯-四氟硼酸正丁基吡啶(PHEMA-BPBF4)、聚甲基丙烯酸甲酯-1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(PMMA-EMITFSI)或聚氧化乙烯-聚丙烯酸甲酯-1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(PEO-PMA-EMITFSI)中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明的一种可选实施方式，凝胶电解质包括聚丙烯酰胺水凝胶、聚甲基丙烯酸甲酯有机凝胶或聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物有机凝胶中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明的一种可选实施方式，聚合物电解质包括聚氧乙烯基聚合物电解质、聚偏氟乙烯基聚合物电解质或聚丙烯酸酯基聚合物电解质中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明的一种可选实施方式，离子导电陶瓷包括硅酸锂、锗酸锂、氧化锆、氧化钙、β-氟化铅、α-碘化银或α-碘化铜中的任意一种或至少两种的组合。
通过对离子导体具体种类的限定，使得该离子导体的电致发热方法的应用领域更为广泛。
作为本发明的一种优选实施方式，离子导体的电致发热方法包括以下步骤：
(a)采用阻抗仪测量出离子导体的电化学阻抗谱，再根据电化学阻抗谱获得离子导体在电路相位角为-10°～10°时的特征频率；
(b)利用信号产生器产生所述特征频率对应的交流电压信号，再将所述交流电压信号通过电压放大器放大，得到所述交流电压；
通过电极对离子导体施加所述交流电压，用于实现离子导体的电致发热。
该电致发热方法所采用的装置如图6所示，其中介质10(离子导体)设置于容器(图中未标识)中，电极30则插入到容器的两端同时浸入到介质10(离子导体)中，电极30的两端则与电压放大器40连接，电压放大器40与信号产生器50连接。通过对上述装置连接方式的限定，即可实现离子导体的电致发热。
作为本发明的一种可选实施方式，在电极与离子导体的界面有极少量双电层电容结构产生或不会有双电层电容结构产生。
需要说明的是，当离子导体电路中的相位角为零时，就意味着电路中没有双电层电容产生。当电路中的相位角接近零(-10°～10°且不等于0°)时，就意味着电路中只有极少量的双电层电容产生，极少量的双电层电容所引起的电化学反应对电极的腐蚀程度很小，可忽略不计。
根据本发明的第二个方面，还提供了上述离子导体的电致发热方法在食品、化工、材料合成加工或水处理领域中的应用。
通过利用上述离子导体的电致发热方法，可实现离子导体自身的快速、均匀加热，也可实现利用离子导体对其他介质或者部件进行快速、均匀加热的目的。
鉴于上述离子导体的电致发热方法所具有的优势，使得该离子导体的电致发热方法可应用于食品、化工、材料合成加工或水处理等领域。
下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种离子导体的电致发热方法，包括以下步骤：
(a)将30mL有机溶剂盐溶液(1M 1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，溶剂为95％的乙醇)倒入方形的石英玻璃皿(长×宽×高:10cm×10cm×1cm)中，将两片(长×宽：10cm×1cm)的不锈钢电极置于石英玻璃皿内部两端，浸入有机溶剂盐溶液，具体如图7所示；
采用阻抗仪测量出离子液体的电化学阻抗谱，再根据电化学阻抗谱获得离子液体在电路相位角为-2°～2°时的特征频率，该特征频率范围为1KHz～400KHz；
(b)利用信号产生器产生频率为100KHz(在特征频率范围内)的交流电压信号，再将交流电压信号放大，得到交流电压；
通过电极对离子导体施加上述交流电压110V、100KHz，用于实现有机溶剂盐溶液的电致发热。
图8为实施例1中有机溶剂盐溶液的温度以及电流随时间的变化图。经过测量，在将电极接入110V、100KHz交流电后，有机溶剂盐溶液即可发热，84s后，其温度可达到60℃左右。
本实施例中，利用有机溶剂盐溶液具有一定离子电导率的特点，通过施加相位角为-2°～2°特征频率时对应的交流电压，实现了其自身发热，而无需外加热源。
实施例2
本实施例提供一种离子导体的电致发热方法，包括以下步骤：
(a)将30mL离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐倒入方形的石英玻璃皿(长×宽×高:10cm×10cm×1cm)中，将两片(长×宽：10cm×1cm)的不锈钢电极置于石英玻璃皿内部两端，浸入离子液体，所采用的装置与实施例1相同；
采用阻抗仪测量出离子液体的电化学阻抗谱，再根据电化学阻抗谱获得离子液体在电路相位角为-10°～10°时的特征频率，该特征频率范围为1KHz～500KHz；
(b)利用信号产生器产生频率为100KHz的交流电压信号(在特征频率范围内)，再将交流电压信号放大，得到交流电压；
通过电极对离子液体施加上述交流电压110V、100KHz，用于实现离子液体的电致发热。
图9为离子液体的红外热像图，其中，图9中(a)为加热15s后的离子液体的红外热像图,(b)为加热90s后的离子液体的红外热像图。经过测量，在将电极接入110V、100KHz交流电后，离子液体即可发热，加热15s后的离子液体的温度可达34.8℃，加热90s后的离子液体的温度可达到118℃左右。
本实施例中，利用离子液体的离子导电性，通过施加相位角为-10°～10°特征频率时对应的交流电压，实现了其自身的均匀发热，且加热温度相对较高。离子液体可作为化学反应的介质，因此本实施例提供的电致发热方法，可为离子液体在化工加热领域中的应用提供良好的借鉴。此外，离子液体与有机溶剂如碳酸丙烯酯、磷酸三丁酯、丙酮、二甲基亚砜等等的混合物也可进行此种加热，其应用范围可进一步扩大。
实施例3
本实施例提供一种离子导体的电致发热方法，包括以下步骤：
(a)将70mL聚丙烯酸钠水溶液(1M)倒入方形的石英玻璃皿中(长×宽×高:10cm×10cm×1cm)中，将两片(长×宽:10cm×1cm)的不锈钢电极置于石英玻璃皿内部两端，并浸入聚丙烯酸钠水溶液中；
采用阻抗仪测量出聚丙烯酸钠水溶液的电化学阻抗谱，再根据电化学阻抗谱获得聚电解质在电路相位角为-10°～10°时的特征频率，该特征频率为1-500KHz左右；
(b)利用信号产生器产生上述特征频率对应的交流电压信号，再将交流电压信号放大，得到交流电压；
通过电极对聚丙烯酸钠水溶液施加上述交流电压110V、100KHz，用于实现聚丙烯酸钠水溶液的电致发热。
经过测量，在将电极接入110V、100KHz交流电后，聚丙烯酸钠水溶液即可发热，3-5min后，聚丙烯酸钠水溶液达到沸腾状态。
本实施例中，利用聚电解质的离子导电性，通过施加相位角为-10°～10°特征频率时对应的交流电压，实现了其自身的均匀发热。此外，聚电解质与有机溶剂如乙醇、二氧六环、丙酮、二甲基甲酰胺或二甲基亚砜等的混合物也可进行此种加热，其应用范围可进一步扩大。
实施例4
本实施例提供一种离子导体的电致发热方法，包括以下步骤：
(a)用丙烯酸三氟乙酯作单体(40％)，用离子液体[EMIM]TF2N作溶剂(60％)，交联剂为1,6-己二醇二丙烯酸酯(2‰)，引发剂为1-羟基环己基苯基甲酮(1％)，紫外光下固化30min制作(长*宽*厚：8cm*2cm*1mm)的离子凝胶PFEA-[EMIM]TF2N。将两片(长×宽:10cm×1cm)的不锈钢电极紧贴离子凝胶；
采用阻抗仪测量出离子凝胶的电化学阻抗谱，再根据电化学阻抗谱获得离子液体在电路相位角为-10°～10°时的特征频率，该特征频率范围为1KHz～500KHz；
(b)利用信号产生器产生频率为200KHz(在特征频率范围内)的交流电压信号，再将交流电压信号放大，得到交流电压；
通过电极对离子凝胶施加上述交流电压110V、200KHz，用于实现离子凝胶的电致发热。
图10为实施例4中离子凝胶的温度以及电流随时间的变化图。经过测量，在将电极接入110V、200KHz交流电后，离子凝胶PFEA-[EMIM]TF2N即可发热，2min后，离子凝胶PFEA-[EMIM]TF2N温度达到140℃。
本实施例中，利用离子凝胶的离子导电性，通过施加相位角为-10°～10°特征频率时对应的交流电压，实现了其自身的均匀发热。另外本实施例可用于透明加热器的应用，在玻璃除雾、除霜方面用处很大。
实验例1
为了验证离子导体的电致发热方法是否对电极产生影响，本实验例以实施例2中的电极为例，对电致发热前以及电致发热后的电极进行对比，具体如图11所示。其中，图11中(a)为电致加热前的电极，(b)为经过10次利用本发明实施例2中的方法电致加热后的电极，(c)为施加110V，50Hz交流电进行1次电致加热后的电极。从图中对比可以看出，利用本发明中方法对离子导体进行加热可以有效地缓解电极腐蚀问题，即经过多次加热后，电极无明显变化。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (9)

1.一种离子导体的电致发热方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过电极对离子导体施加特征频率对应的交流电压，用于实现离子导体的电致发热；
其中，所述特征频率为离子导体在电路相位角为-10°～10°时的频率。
2.根据权利要求1所述的离子导体的电致发热方法，其特征在于，所述电路相位角为-5°～5°，优选为-2°～2°，进一步优选-1°～1°。
3.根据权利要求1所述的离子导体的电致发热方法，其特征在于，所述特征频率通过以下方法得到：先测量出离子导体的电化学阻抗谱，再根据电化学阻抗谱获得离子导体在电路相位角为-10°～10°时的频率。
4.根据权利要求3所述的离子导体的电致发热方法，其特征在于，测量离子导体的电化学阻抗谱时施加的电压振幅在1V以内，且不加偏压；
优选地，测量离子导体的电化学阻抗谱时施加的电压振幅为5-500mV；
优选地，采用阻抗仪测量离子导体的电化学阻抗谱。
5.根据权利要求1所述的离子导体的电致发热方法，其特征在于，所述离子导体包括液态离子导体和/或固态离子导体；
优选地，所述液态离子导体包括盐溶液、离子液体、聚电解质溶液、含电解质的乳液或含电解质的悬浊液中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述固态离子导体包括离子凝胶、凝胶电解质、聚合物电解质或离子导电陶瓷中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求5所述的离子导体的电致发热方法，其特征在于，所述盐溶液的溶质包括氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、氯化锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸锂、硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、硝酸锂、四氟硼酸钠、四氟硼酸钾、四氟硼酸锂、六氟磷酸钠、六氟磷酸钾、六氟磷酸锂、高氯酸钠、高氯酸锂、高氯酸钾、醋酸钠、醋酸钾、醋酸锂、三氟乙酸钠、三氟乙酸钾、三氟乙酸锂、三氟甲磺酸钠、三氟甲磺酸锂、三氟甲磺酸钾、双三氟甲磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺钠、双三氟甲磺酰亚胺钾或离子液体中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述盐溶液的溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、二氧六环、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯或聚乙二醇中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述离子液体包括咪唑类离子液体、季铵盐类离子液体或季鏻类离子液体中的任意一种；
优选地，所述咪唑类离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑高氯酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述季胺盐类离子液体包括三丁基甲基铵双三氟甲磺酰亚胺盐；
优选地，所述季鏻类离子液体包括四丁基膦双三氟甲磺酰亚胺盐和/或三丁基乙基膦双三氟甲磺酰亚胺盐；
优选地，所述聚电解质溶液包括离子交换树脂、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯磺酸、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯磺酸、聚乙烯磷酸、聚乙烯亚胺、聚乙烯胺或聚乙烯吡啶中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述含电解质的乳液包括水包油乳液和/或双水相乳液；
优选地，所述含电解质的悬浊液包括有机颗粒分散液和/或无机颗粒分散液；
优选地，所述离子凝胶包括PFEA-[EMIM]TF2N、PEA-[EMIM]TF2N、PMMA-BMIPF6、PEOEMA-BMIPF6、PHEMA-EMIBF4、PHEMA-BPBF4、PMMA-EMITFSI或PEO-PMA-EMITFSI中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述凝胶电解质包括聚丙烯酰胺水凝胶、聚甲基丙烯酸甲酯有机凝胶或聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物有机凝胶中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述聚合物电解质包括聚氧乙烯基聚合物电解质、聚偏氟乙烯基聚合物电解质或聚丙烯酸酯基聚合物电解质中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述离子导电陶瓷包括硅酸锂、锗酸锂、氧化锆、氧化钙、β-氟化铅、α-碘化银或α-碘化铜中的任意一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求1所述的离子导体的电致发热方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)采用阻抗仪测量出离子导体的电化学阻抗谱，再根据电化学阻抗谱获得离子导体在电路相位角为-10°～10°时的特征频率；
(b)通过电极对离子导体施加所述特征频率对应的交流电压，用于实现离子导体的电致发热。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的离子导体的电致发热方法，其特征在于，在电极与离子导体的界面有极少量双电层电容结构产生或不会有双电层电容结构产生。
9.权利要求1-8任意一项所述的离子导体的电致发热方法在食品、化工、材料合成加工或水处理领域中的应用。
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