CN112737412A - 一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法 - Google Patents
一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种三明治结构的木基蒸发‑水伏协同发电器件的制备方法，通过分别配制均匀分散的PVA和炭黑分散液；再将两种分散液以一定比例均匀混合得到不同浓度的PVA炭黑混合分散液；将不同浓度混合分散液均匀涂覆到干净备用的榉木片正、背面；榉木片的背面利用刮涂法涂覆银电极；将榉木片背面与水面之间呈45°夹角的方式将榉木片放置在水面，即得到三明治结构的木基蒸发‑水伏协同发电器件，本发明成本低廉、光吸收能力强，并且用沿木材生长方向的榉木片材作为基底，可以保证蒸发层和光热层的水分充分持续供应，光热效率高，发电方式自发且具有稳定性能，充分利用太阳能和周围环境热量，增加输出功率与淡水产出。
Description
技术领域
本发明涉及水伏发电器件制备领域，特别是一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法。
背景技术
蒸发在地球上无处不在，充分利用太阳能使水蒸发，可以有效缓解人们对水资源和能源短缺的日益关注。尽管在探索未利用或浪费的热能/太阳能的多功能应用的替代组合方面取得了重大进展。然而，如何将所需的功能有效地整合到一种光热材料中，以便广泛收集太阳能，仍然是一项巨大的挑战。以气态水分子和水滴的形式包含着大量的低级能量库。现已发现，许多功能化材料可以直接通过与水分的相互作用而发电。这表明可以从蒸发中的水分中收集电能，并可以创建一系列新的自供电设备。因此，开发蒸发-发电集成一体的的新型光热蒸发器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服光热水蒸发和水伏发电对于环境的不同要求，提供一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法，以解决上述技术背景中所提出的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法：包括以下制备步骤:
S1、将厚度均匀的榉木裁剪成矩形榉木片，分别利用无水乙醇和去离子水洗净备用；
S2、用PVA和去离子水按浓度为100mg/ml配比PVA分散液，再将PVA分散液油浴加热；
S3、用炭黑颗粒和去离子水按浓度为50mg/ml配比炭黑颗粒分散液，利用磁力搅拌器进行搅拌，再利用细胞破碎仪对炭黑颗粒分散液进行分散，得到均匀的炭黑分散液；
S4、将步骤S2得到的PVA分散液以及步骤S3得到的炭黑分散液按1：35的比例加入到去离子水中混合均匀，得到质量分数为0.1％的PVA炭浆分散液；
S5、将步骤S2得到的PVA分散液以及步骤S3得到的炭黑分散液按10:7的比例加入到去离子水中混合均匀，得到质量分数为5％的PVA炭浆分散液；
S6、将质量分数为0.1％的PVA炭浆分散液旋涂在榉木片的正面，将质量分数为5％的PVA炭浆分散液旋涂在榉木片的背面，再将榉木放入烘箱进行干燥，干燥后再重复此步骤一次；
S7、在涂抹了PVA炭浆分散液榉木片的背面利用刮涂法涂覆银电极，烘箱干燥后利用点焊法将包漆铜线与银电极相连接，用环氧树脂密封电极；
S8、以榉木片背面与水面之间呈45°夹角的方式将榉木片放置在水面，即得到三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件。
上述发明内容，在步骤S2中，PVA为1799型PVA，油浴温度为95℃，油浴时间为2小时。
上述发明内容，在步骤S3中，炭黑颗粒平均粒径35-40nm。
上述发明内容，在步骤S3中，细胞破碎仪超声功率为450W，变幅杆直径为6mm，分散时间为30min。
上述发明内容，在步骤S3中，磁力搅拌器搅拌的时间为15min。
上述发明内容，在步骤S6中，烘箱的干燥温度为60℃，干燥时间为30min。
上述发明内容，在步骤S7中，烘箱的干燥温度为60℃，干燥时间为20min。
上述发明内容，在步骤7中，银电极距离榉木片上下端2mm，银电极宽度2mm，包漆铜线与银电极连接方式为点焊。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用一体式的蒸发-发电协同结构设计，取代了传统的需要多个模块化的功能器件组合式蒸发-发电器件，大大降低了器件制作成本和工艺难度并提高的器件的稳定性；
(2)本发明中使用的榉木基衬底相比于传统的玻璃或者金属衬底等具有更好的运输水功能和储水功能，受环境影响小，具备高性能和持续的电能输出，并且木基上双面具有气孔相比于单面蒸发来说提高了蒸发面积，充分利用了吸收的太阳能和周围环境热能。
(3)本发明斜靠式的光热器件由于重力作用可以自发形成水的梯度分布，形成水的定向流动，协同顶部和下部的不对称蒸发，水分布梯度更加明显，促进了水流向上运输，进一步提升了器件输出功率；
(4)本发明制备流程简单，材料易得，对设备要求低，易推广，容易实现大规模制备。
附图说明
图1为本发明中三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件结构示意图；
图2为本发明中三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的发电原理示意图；
图3为本发明中三明治结构的木基蒸发-水伏发电协同器件正面蒸发层和背面发电层PVA碳涂层的扫描电镜图像和透射图像。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法：包括以下制备步骤:
S1、将厚度均匀的榉木裁剪成矩形榉木片，分别利用无水乙醇和去离子水洗净备用；
S2、用1799型PVA和去离子水按浓度为100mg/ml配比PVA分散液，再将PVA分散液以95℃的温度油浴加热2小时；
S3、用平均粒径35-40nm的炭黑颗粒和去离子水按浓度为50mg/ml配比炭黑颗粒分散液，利用磁力搅拌器搅拌15min，再利用细胞破碎仪对炭黑颗粒分散液进行分散，得到均匀的炭黑分散液，其中，细胞破碎仪超声功率为450W，变幅杆直径为6mm，分散时间为30min。
S4、将步骤S2得到的PVA分散液以及步骤S3得到的炭黑分散液按1：35的比例加入到去离子水中混合均匀，得到质量分数为0.1％的PVA炭浆分散液；
S5、将步骤S2得到的PVA分散液以及步骤S3得到的炭黑分散液按10:7的比例加入到去离子水中混合均匀，得到质量分数为5％的PVA炭浆分散液；
S6、将质量分数为0.1％的PVA炭浆分散液旋涂在榉木片的正面，将质量分数为5％的PVA炭浆分散液旋涂在榉木片的背面，再将榉木放入烘箱进行干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为30min，干燥后再重复此步骤一次；
S7、在榉木片背面一侧，距上下两端2mm处利用刮涂法涂覆2mm宽的银电极，利用烘箱60℃干燥20min后利用点焊法将包漆铜线与银电极相连接，用环氧树脂密封电极；
S8、以榉木片背面与水面之间呈45°夹角的方式将榉木片放置在水面，即得到三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件。
实施例二：
一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法：包括以下制备步骤:
S1、将均匀的厚度为0.3cm的榉木裁剪成3cm×4cm矩形榉木片，其中沿木材生长方向为4cm，先分别利用200mL无水乙醇和200mL丙酮清洗，再利用200mL去离子水洗净备用；
S2、用1799型PVA和去离子水按浓度为100mg/ml配比100mlPVA分散液，再将PVA分散液以95℃的温度油浴加热2小时；
S3、用平均粒径20-35nm的炭黑颗粒和去离子水按浓度为50mg/ml配比50ml炭黑颗粒分散液，利用磁力搅拌器搅拌15min，再利用细胞破碎仪对炭黑颗粒分散液进行分散，得到均匀的炭黑分散液，其中，细胞破碎仪超声功率为450W，变幅杆直径为6mm，分散时间为30min。
S4、取步骤S2得到的PVA分散液0.1ml、步骤S3得到的炭黑分散液3.5ml，加入到6.4ml的去离子水中混合均匀，得到质量分数为0.1％的PVA炭浆分散液；
S5、取步骤S2得到的PVA分散液5ml、步骤S3得到的炭黑分散液按3.5ml，加入到1.5ml的去离子水中混合均匀，得到质量分数为5％的PVA炭浆分散液；
S6、取质量分数为0.1％的PVA炭浆分散液0.36ml，并旋涂在榉木片的正面；取质量分数为5％的PVA炭浆分散液0.36ml，并旋涂在榉木片的背面，再将榉木放入烘箱进行干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为30min，干燥后再重复此步骤一次；
S7、在榉木片背面一侧，距上下两端2mm处利用刮涂法涂覆2mm宽的银电极，利用烘箱60℃干燥20min后利用点焊法将包漆铜线与银电极相连接，用环氧树脂密封电极；
S8、以榉木片背面与水面之间呈45°夹角的方式将榉木片放置在水面，即得到三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件。
通过本发明制备的三明治结构的木基蒸发-水伏发电协同器件，炭黑具有宽光谱强吸收的特征，并且可通过双电层理论和电动理论的机制捕获雨水、波浪、水流等液态水能，产生液滴电势、波动电势、流电势和蒸发电势。由于聚乙烯醇(PVA)的键合效应，炭黑纳米颗粒牢牢地附着在木基衬底上，并且PVA骨架上丰富的含氧官能团可以吸引更多的水合离子，有水从孔隙中流过时，孔道表面带有丰富的负电荷，因此表面将形成双电层。在毛细管作用下，水合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。木基衬底不仅为两侧的功能性涂层提供了足够的水分供应，还可以作为刚性组分调控器件与整体水的接触角度，调整蒸发速率，并且用沿木材生长方向的榉木片材作为基底，可以保证蒸发层和光热层的水分充分持续供应，通过调节器件与水面之间的夹角调节水供应速率。光热效率高，发电方式自发且具有稳定性能，充分利用太阳能和周围环境热量，增加输出功率与淡水产出。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤:
S1、将厚度均匀的榉木裁剪成矩形榉木片，先分别利用无水乙醇和去离子水洗净备用；
S2、用PVA和去离子水按浓度为100mg/ml配比PVA分散液，再将PVA分散液油浴加热；
S3、用炭黑颗粒和去离子水按浓度为50mg/ml配比炭黑颗粒分散液，利用磁力搅拌器进行搅拌，再利用细胞破碎仪对炭黑颗粒分散液进行分散，得到均匀的炭黑分散液；
S4、将步骤S2得到的PVA分散液以及步骤S3得到的炭黑分散液按1：35的比例加入到去离子水中混合均匀，得到质量分数为0.1％的PVA炭浆分散液；
S5、将步骤S2得到的PVA分散液以及步骤S3得到的炭黑分散液按10:7的比例加入到去离子水中混合均匀，得到质量分数为5％的PVA炭浆分散液；
S6、将质量分数为0.1％的PVA炭浆分散液旋涂在榉木片的正面，将质量分数为5％的PVA炭浆分散液旋涂在榉木片的背面，再将榉木放入烘箱进行干燥,干燥后再重复此步骤一次；
S7、在涂抹了PVA炭浆分散液榉木片的背面利用刮涂法涂覆银电极，烘箱干燥后利用点焊法将包漆铜线与银电极相连接，用环氧树脂密封电极；
S8、以榉木片背面与水面之间呈45°夹角的方式将榉木片放置在水面，即得到三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件。
2.根据权利要求1所述的一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，PVA为1799型PVA，油浴温度为95℃，油浴时间为2小时。
3.根据权利要求1所述的一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，炭黑颗粒平均粒径35-40nm。
4.根据权利要求1所述的一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，细胞破碎仪超声功率为450W，变幅杆直径为6mm，分散时间为30min。
5.根据权利要求1所述的一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，磁力搅拌器搅拌的时间为15min。
6.根据权利要求1所述的一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法，其特征在于，在步骤S6中，烘箱的干燥温度为60℃，干燥时间为30min。
7.根据权利要求1所述的一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法，其特征在于，在步骤S7中，烘箱的干燥温度为60℃，干燥时间为20min。
8.根据权利要求1所述的一种三明治结构的木基蒸发-水伏协同发电器件的制备方法，其特征在于，在步骤7中，银电极距离榉木片上下端2mm，银电极宽度2mm，包漆铜线与银电极连接方式为点焊。
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