CN111600507B - 一种基于二氧化钛/二氧化硅的湿气发电器件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于二氧化钛/二氧化硅的湿气发电器件制备方法。首先，将二氧化硅纳米颗粒/纳米纤维与二氧化钛纳米颗粒/纳米纤维分别分散在溶剂中得到浆料；然后，在基底上下两端分别涂覆二氧化硅纳米颗粒/纳米纤维浆料与二氧化钛纳米颗粒/纳米纤维浆料，一个区域干燥完全后，再涂覆下一区域，干燥后得到一种基于二氧化钛/二氧化硅的湿气发电器件。本发明所述方法制备的器件具有的非对称结构吸附环境中的水后，导致电荷分布产生差异，从而在外电路中产生电能，这种产电方式绿色环保，可用于湿度传感器或者湿气发电。
Description
技术领域
本发明涉及湿气发电器件制备领域，尤其是一种基于二氧化钛/二氧化硅的湿气发电器件制备方法。
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。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。新型的能量转化与存储技术对于社会的发展起着极其重要的作用。人们已经成功开发了太阳能电池、风力发电机和水力发电机等将这些能量转化为电能，为日常活动提供便利。然而，将自然界中水分扩散过程直接用于产生电能并不多见。
湿气发电与水伏发电材料出现或将开启能源领域的一个新研究方向。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。郭万林、曲良体、张助华、唐群委、周建新、周军等人在湿气发电与水伏科学与技术领域做出了开创性的研究。水伏效应与湿气发电的研究刚刚起步，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材料与器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二氧化钛/二氧化硅的湿气发电器件制备方法。二氧化硅纳米颗粒/纳米纤维、二氧化钛纳米颗粒/纳米纤维堆积形成的孔道有着较高的毛细力，对水、油都具有一种毛细作用，液体可以顺着纤维之间的间隙自行前进。二氧化硅颗粒，俗称白炭黑，具有许多独特的性质。pH>2.5时，二氧化硅表面首先水合，然后再电离，生成的阴离子仍在纳米颗粒表面，二氧化硅颗粒表面带负电。二氧化钛中的Ti-O键极性较大，表面吸附的水因极化发生解离，将会吸附阳离子，容易形成羟基带正电。将两种材料置于器件两侧，吸附环境中的水后，电荷分布产生差异。表面带电的二氧化钛/二氧化硅材料无法移动，可形成类似p-n节中的内建电场，吸附水层中氢离子与氢氧根离子的分离与结合最终处于动态平衡过程中，从而在外电路中产生电能，这种产电方式绿色环保且稳定，可用于湿度传感器或者湿气发电。
本发明采用如下技术方案：
一种基于二氧化钛/二氧化硅的湿气发电器件制备方法，包括如下步骤：
（1）将二氧化硅纳米颗粒/纳米纤维与二氧化钛纳米颗粒/纳米纤维分别分散在溶剂中得到浆料；
（2）在基底上设有上电极和下电极的一面，上下两端分别涂覆二氧化硅纳米颗粒/纳米纤维浆料与二氧化钛纳米颗粒/纳米纤维浆料，一个区域干燥完全后，再涂覆下一区域，干燥后得到一种基于二氧化钛/二氧化硅的湿气发电器件。
步骤（1）中的二氧化硅颗粒尺寸为10-500nm，二氧化硅纳米纤维的直径为1-500nm，长度为50nm-500μm，二氧化钛颗粒尺寸为10-500nm，二氧化钛纳米纤维的直径为1-500nm，长度为50nm-500μm。
步骤（1）中的溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，二氧化硅纳米颗粒/纳米纤维与二氧化钛纳米颗粒/纳米纤维与溶剂的质量比都为3:7-7:3。
步骤（2）中的基底为柔性基底，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。
步骤（2）中的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1-10cm。
步骤（2）中的干燥时间为1s-1800s，干燥温度为0-80℃。
步骤（2）中的二氧化钛/二氧化硅涂层厚度为0.5-500μm。
步骤（2）中的湿气发电器件运行的环境湿度应大于70%。
本发明具有如下优势：
（1）本发明所述方法制备的器件具有的非对称结构可形成类似p-n节中的内建电场，吸附水层中氢离子与氢氧根离子的分离与结合最终处于动态平衡过程中，在器件两侧形成电荷浓度差，从而在外电路中产生电能，这种产电方式绿色环保且稳定，可用于湿度传感器或者湿气发电。
（2）本发明所述方法的基底采用柔性材料制成，配合具有良好柔性的纳米纤维网络结构，可以使器件具有良好的机械柔性，可以作为传感器贴在人体皮肤表面，实时监测人体呼吸状态、或作为可穿戴的触摸电子屏。
（3）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为本发明方法所述器件的结构示意图。
图2为本发明方法所述器件的内部类p-n节结构形成原理示意图。
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）将平均直径为10nm，长度为500nm的二氧化硅纳米纤维与平均直径为10nm，长度为500nm的二氧化钛纳米纤维分别分散在乙醇中，二氧化硅纳米纤维与二氧化钛纳米纤维的质量与乙醇的质量比同为7:3，超声20min，得到浆料。
（2）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。
（3）在基底上设有上电极和下电极的一面，上下两端分别涂覆二氧化硅纳米纤维浆料与二氧化钛纳米纤维浆料，干燥后得到非对称湿气发电器件，涂层的厚度为50μm。
（4）将器件置于湿度大于70%的潮湿环境中，器件产生电压和电流信号。
实施例
（1）将粒径平均为50nm的二氧化硅纳米颗粒与粒径平均为50nm的二氧化钛纳米颗粒分别分散在乙醇中，二氧化硅与二氧化钛的质量与乙醇的质量比同为7:3，超声20min，得到浆料。
（2）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。
（3）在基底上设有上电极和下电极的一面，上下两端分别涂覆二氧化硅浆料与二氧化钛浆料，干燥后得到非对称湿气发电器件，涂层的厚度为50μm。
（4）将器件置于湿度大于70%的潮湿环境中，器件产生电压和电流信号。
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 (8)
1.一种基于二氧化钛/二氧化硅的湿气发电器件制备方法，包括如下步骤：
(1)将二氧化硅纳米颗粒/纳米纤维与二氧化钛纳米颗粒/纳米纤维分别分散在溶剂中得到浆料；
(2)在基底上设有上电极和下电极的一面，上下两端分别涂覆二氧化硅纳米颗粒/纳米纤维浆料与二氧化钛纳米颗粒/纳米纤维浆料，一个区域干燥完全后，再涂覆下一区域，干燥后得到一种基于二氧化钛/二氧化硅的湿气发电器件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的二氧化硅颗粒尺寸为10-500nm，二氧化硅纳米纤维的直径为1-500nm，长度为50nm-500μm，二氧化钛颗粒尺寸为10-500nm，二氧化钛纳米纤维的直径为1-500nm，长度为50nm-500μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，二氧化硅纳米颗粒/纳米纤维与二氧化钛纳米颗粒/纳米纤维与溶剂的质量比都为3∶7-7∶3。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的基底为柔性基底，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。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的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1-10cm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的干燥时间为1s-1800s，干燥温度为0-80℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的二氧化钛/二氧化硅涂层厚度为0.5-500μm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的湿气发电器件运行的环境湿度应大于70％。
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