CN111600508B - 一种梯度二氧化钛基水伏器件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种梯度二氧化钛基水伏器件制备方法。首先，将不同尺寸的二氧化钛纳米颗粒分别分散在溶剂中，得到二氧化钛纳米颗粒浆料；然后，在基底上自下而上分别涂覆不同尺寸二氧化钛纳米颗粒浆料，底部为小尺寸纳米颗粒，自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，得到一种梯度二氧化钛基水伏器件。本发明所述方法制备的水伏器件能够依靠二氧化钛涂层的毛细作用和水蒸发自发产生电能，不需要额外的能量输入，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。
Description
技术领域
本发明涉及水蒸发产电器件制备领域，尤其是一种梯度二氧化钛基水伏器件制备方法。
背景技术
水覆盖了约71%的地球表面，在人体中其重量约占70%。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。郭万林、曲良体、张助华、唐群委、周建新、周军等人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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯度二氧化钛基水伏器件制备方法。二氧化钛无毒、熔点高、粘附力强，不易起化学变化，二氧化钛纳米颗粒表面积大，吸湿性高，纳米颗粒堆积形成的孔道有着较高的毛细力。相对于其它半导体半金属材料的金属氧化物，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，容易形成羟基，容易形成双电层。当有水从二氧化钛纳米颗粒孔隙通道中流过时，孔道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。另外，选用不同尺寸的二氧化钛纳米颗粒，自下而上分别涂覆于水伏器件不同区域，构造梯度差异，由于比表面积的差异，形成离子浓度差，可提供离子扩散的另外一种动力，进一步提升输出电压。这种梯度构造方法也可使器件在较高湿度环境下发电。
本发明采用如下技术方案：
一种梯度二氧化钛基水伏器件制备方法，包括如下步骤：
（1）将不同尺寸的二氧化钛纳米颗粒分别分散在溶剂中，得到二氧化钛纳米颗粒浆料，或者将不同尺寸的二氧化钛纳米颗粒分别和碳纳米纤维分散在溶剂中，得到二氧化钛和碳纳米纤维复合浆料；
（2）在基底上设有上电极和下电极的一面，自下而上分别涂覆不同尺寸二氧化钛纳米颗粒浆料或者二氧化钛纳米颗粒和碳纳米纤维复合浆料，底部为小尺寸纳米颗粒，自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，再依次涂覆下一区域，得到一种梯度二氧化钛基水伏器件。
步骤（1）中的二氧化钛纳米颗粒尺寸为10-1000nm，碳纳米纤维的直径为5-20nm，长度为200nm-20μm，二氧化钛纳米颗粒粉末与碳纳米纤维的质量比为50:1-5:1。
步骤（1）中的溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，二氧化钛纳米颗粒粉末与碳纳米纤维总质量与溶剂的质量比为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1-5cm。
步骤（2）中的干燥时间为1s-1800s，干燥温度为0-80℃。
步骤（2）中的二氧化钛基水伏器件的二氧化钛涂层或者二氧化钛和碳纳米纤维复合涂层厚度为0.5-100μm。
本发明具有如下优势：
（1）本发明所述方法制备的水伏器件能够依靠二氧化钛纳米颗粒涂层的毛细作用和水蒸发自发产生电能，不需要额外的能量输入，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。
（2）本发明所述方法采用的二氧化钛纳米颗粒自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，比表面积呈现负相关关系，导致底部电离出的离子浓度大于顶部，促使底部离子向上扩散，与水流的带动作用起协同作用，可提供离子扩散的另外一种动力，进一步提升输出电压。
（3）本发明所述方法采用的碳纳米纤维能够增加涂层的吸水性能、力学性能和柔韧性，其表面也可吸附阳离子，在一定程度上起到与二氧化钛协同作用。
（4）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器件的结构示意图。
图2为本发明方法所述方法水伏发电的原理示意图。
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）将粒径平均为10nm、40nm、100nm、150nm、200nm、300nm、500nm、1000nm的二氧化钛纳米颗粒分别分散在乙醇中，二氧化钛与乙醇的质量比为7:3，超声20min，得到不同尺寸的二氧化钛纳米颗粒浆料。
（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，待电极干燥后，自下而上分别涂覆不同尺寸二氧化钛纳米颗粒浆料，底部为小尺寸纳米颗粒，自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，依次涂覆下一区域，每个区域宽度为0.5cm。
（3）待乙醇挥发完全，得到一种梯度二氧化钛基水伏器件，涂层的厚度为5μm。
（4）将水伏器件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，随着二氧化钛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
（1）将粒径平均为10nm、40nm、200nm、500nm的二氧化钛纳米颗粒分别分散在乙醇中，二氧化钛与乙醇的质量比为7:3，超声20min，得到不同尺寸的二氧化钛纳米颗粒浆料。
（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，待电极干燥后，自下而上分别涂覆不同尺寸二氧化钛纳米颗粒浆料，底部为小尺寸纳米颗粒，自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，依次涂覆下一区域，每个区域宽度为1cm。
（3）待乙醇挥发完全，得到一种梯度二氧化钛基水伏器件，涂层的厚度为5μm。
（4）将水伏器件的下电极以与液面的夹角90°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，随着二氧化钛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
（1）将粒径平均为10nm、40nm、200nm、500nm的二氧化钛纳米颗粒分别和直径为5nm，长度为2μm的碳纳米纤维分散在乙醇中，二氧化钛与碳纳米纤维的质量比为10:1，二氧化钛和碳纳米纤维总质量与乙醇的质量比为7:3，超声30min，得到二氧化钛和碳纳米纤维复合浆料。
（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，待电极干燥后，自下而上分别涂覆不同尺寸二氧化钛和碳纳米纤维复合浆料，底部为小尺寸纳米颗粒，自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，依次涂覆下一区域，每个区域宽度为1cm。
（3）待乙醇挥发完全，得到一种梯度二氧化钛基水伏器件，涂层的厚度为5μm。
（4）将水伏器件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，随着二氧化钛纳米颗粒和碳纳米纤维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 (7)
1.一种梯度二氧化钛基水伏器件制备方法，包括如下步骤：
(1)将不同尺寸的二氧化钛纳米颗粒分别分散在溶剂中，得到二氧化钛纳米颗粒浆料，或者将不同尺寸的二氧化钛纳米颗粒分别和碳纳米纤维分散在溶剂中，得到二氧化钛和碳纳米纤维复合浆料；
(2)在基底上设有上电极和下电极的一面，自下而上分别涂覆不同尺寸二氧化钛纳米颗粒浆料或者二氧化钛纳米颗粒和碳纳米纤维复合浆料，底部为小尺寸纳米颗粒，自下而上纳米颗粒尺寸逐步增加，一个区域干燥完全后，再依次涂覆下一区域，得到一种梯度二氧化钛基水伏器件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的二氧化钛纳米颗粒尺寸为10-1000nm，碳纳米纤维的直径为5-20nm，长度为200nm-20μm，二氧化钛纳米颗粒粉末与碳纳米纤维的质量比为50∶1-5∶1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的二氧化钛纳米颗粒粉末与碳纳米纤维总质量与溶剂的质量比为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1-5cm。
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)中的二氧化钛基水伏器件的二氧化钛涂层或者二氧化钛和碳纳米纤维复合涂层厚度为0.5-100μm。
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