CN114665747A - 一种土壤薄膜和湿气发电装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤薄膜和湿气发电装置及其应用，所述土壤薄膜由干燥土壤颗粒组成；其中，所述干燥土壤颗粒为湿地底泥经干燥、研磨、过筛处理后制得；土壤湿气发电装置包括：顶部电极、底部电极以及土壤薄膜，所述土壤薄膜一侧表面与所述顶部电极贴合连接，另一侧表面与所述底部电极贴合连接。该装置能够持续的利用空气湿气产生0～0.4伏的开路电压和0～0.1微安的短路电流，具有无污染、清洁、可持续、发电条件几乎不受限等特点，可应用于电器供电或小型发电设备，具有较高的经济、环境和社会效益，也具有实际应用的技术潜力。
Description
技术领域
本发明涉及水伏发电技术领域，尤其涉及一种土壤薄膜和湿气发电装置及其应用。
背景技术
新型能源技术的发展对于缓解化石能源短缺和环境污染的压力具有重要意义。但是太阳能、风能、生物能源等新能源的开发还不能满足全球的能源需求，需要近一步探索和开发新能源技术。大气不仅是地球水循环的重要组成部分，也是一种能量充沛的可再生清洁能源来源。有研究者通过采用吸湿材料组装湿气发电装置将大气中的气态水中蕴含的能量转化为电能。然而，相关技术中，大多数研究工作都是采用石墨烯、高分子聚合物等高价值材料制作湿气发电装置，导致技术成本高和制作过程复杂等问题，使其无法被大规模推广应用。此外，湿气发电存在的发电时间短(大部分是少于50秒的瞬时湿气发电)、效率低等其他技术层面的问题还未能得到解决，从而限制了湿气发电可应用性。
相关研究中，存在着利用生物纳米导线作为材料制备可持续发电的湿气发电装置，通过将生物纳米导线烘干制备出生物纳米导线膜，将其附着在金片电极表面制备得到湿气发电装置。依靠纳米导线的丰富亲水基团、良好导电性和多孔结构，该湿气发电装置可以进行持续湿气发电。虽然该装置在一定程度上可以持续发电，但也存在着十分显著的技术缺陷，如生物纳米导线的提取过程复杂且产量极低(1克生物纳米导线/20克菌)；所使用的金片电极价格昂贵且制作过程复杂；装置的组装过程繁琐且复杂；该电极装置中的金平板电极不能有效将电子从纳米导线薄膜中导出。这些缺陷严重限制了其实际应用。因此，开发一种可以利用更加易获取、环保、储量丰富的材料制成且制备方法简单的可持续湿气发电装置及相关技术对于新型环保能源的开发和利用具有极为重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种结构简单、成本低且实施可靠、应前景佳的土壤薄膜和湿气发电装置及其应用。
为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
一种土壤薄膜，其由干燥土壤颗粒组成；其中，所述干燥土壤颗粒为湿地底泥经干燥、研磨、过筛处理后制得。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述土壤薄膜为土壤颗粒经干燥、研磨、过筛处理后，再经重悬浮、均匀施加在附着平面上后，再干燥处理制得，其干燥处理温度控制在20～20℃；
其中，土壤悬浊液浓度约为1g土壤/20mL去离子水。
当然，对于土壤悬浊液的浓度，本领域技术人员可以根据实际使用情况进行合理调整。
在本发明的一些实施方式中，所述干燥处理的温度为20℃。
当然，本领域技术人员可以根据实际使用的土壤，合理调整干燥处理的温度。
其中，所述干燥土壤颗粒的粒径小于52微米，另外，所述湿地底泥包括但不仅限于红树林底泥，本领域技术人员可以根据实际需求，合理的选择任意本领域已知的土壤。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述土壤薄膜的厚度为15～240μm。当然，本领域技术人员可以根据实际使用的需求，合理调整土壤薄膜的厚度，使其获得相应的发电效率。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述土壤薄膜的面积为0.25～100cm2。
当然，本领域技术人员可以根据实际使用的需求，合理调整土壤薄膜的面积，使其获得相应的发电效率。
土壤颗粒由于含有丰富的孔隙和种类繁多的离子，因此具有很强的吸水能力和电离能力，从而使本发明中的土壤薄膜可以吸收空气中的水分并利用其进行发电过程中的电子传输。
因此，基于上述方案，本发明还提供一种湿气发电装置，其包括：
上述所述的土壤薄膜；
顶部电极，贴合连接在所述土壤薄膜的一端面；
底部电极；贴合连接在所述土壤薄膜的另一端面。
在土壤薄膜制备上，本方案通过取干燥土壤研磨，过筛后得到土壤颗粒，将土壤颗粒用去离子水重悬浮后均匀滴加在平面状的底部电极上，干燥，获得附在底部电极表面的土壤薄膜。
其中，土壤悬浊液浓度约为1g土壤/20mL去离子水。
当然，本领域技术人员可以根据实际使用情况进行合理调整。
而薄膜干燥处理的温度可以为20℃。
当然，本领域技术人员可以根据实际使用的土壤，合理调整干燥处理的温度。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述顶部电极具有网孔结构，发明人发现，多孔的顶部电极有利于促进气态水在土壤薄膜表面的吸附-脱附和膜顶层电荷向顶部电极的传递能力，提高湿气发电的电流输出性能。而所述网孔结构的目数为10～500目，作为可选的，其目数可以是10目、20目、30目、50目、100目、200目、300目、400目、500目。
本发明中所述的目数是以中国规格作为标准，即10目的孔径为2.00mm。本发明中的术语“目数”是指1平方英寸(25.4mm×25.4mm)面积上所具有的网孔个数。当然，本领域技术人员可以根据实际使用情况进行合理调整目数。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述底部电极为无孔的平面电极。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述顶部电极为钛、铁、不锈钢、铜、铝、金或银中的一种制成或一种以上复合制成。当然，所述顶部电极的材料包括但不限于上述金属，本领域技术人员可以根据实际使用情况，合理选择其他导电材料。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述底部电极为导电玻璃、碳基材料、铁、铜、铝、金或银中的一种制成或一种以上复合制成。当然，所述底部电极的材料包括但不限于上述金属，本领域技术人员可以根据实际使用情况，合理选择其他导电材料。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述湿气发电装置适用的工作环境的空气相对湿度为10％～90％。在本发明的一些实施方式中，将所述湿气发电装置暴露于空气中，接入电路，即可发电。当然，需要说明的是，本发明中湿气发电装置需要在一定湿度下进行持续的吸湿才能产生持续的发电。
本发明中的湿气发电装置克服了现有发电装置的缺陷，可以将气相水到液相水的相变能量转化成电能进行收集，具有无污染、可持续、环境友好等优点。而且相比于现有技术中的生物纳米导线、电活性菌全细胞生物膜湿气发电装置，本发明主要利用土壤薄膜的亲水官能团在水中实现带电离子分离，并通过多孔状的顶部电极促进膜-空气界面的水分子交换，产生湿气梯度，促进电子导出，从而提高整体的湿气发电性能，成本更低，制备方法更加简单快捷。
基于上述方案，本发明还提供一种发电设备，其包括上述所述的湿气发电装置。
本发明中的湿气发电装置具有持续的电压和电流输出，并且能长时间保持稳定状态，单个2平方厘米装置暴露在空气中后可以持续产生0～0.4伏的开路电压和0～100纳安的短路电流，可以通过串联、并联等方式进行性能测试，并且可以利用该发电装置为商业电容充电。而土壤薄膜作为湿气发电装置的核心部件，自然也具有同样的效能。
基于上述方案，本发明还提供一种电器设备，其应用有上述所述的发电设备。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：
1.本发明提供了一种土壤薄膜，其制备方法简单、快捷，可作为一种湿气发电装置核心部件构建一套湿气发电装置，相比于现有的湿气发电装置核心部件(生物纳米导线、电活性菌全细胞生物膜)，本发明中的土壤薄膜制备成本更低。
2.本发明提供一种稳定、制备简单、绿色环保、持续发电的湿气发电装置，该湿气发电装置能够持续的利用空气湿气进行发电，具有无污染、清洁、可持续、发电条件几乎不受限等特点，暴露在空气中后可以持续产生0～0.5伏的开路电压和0～100纳安的短路电流，可应用于电器供电或日常发电设备，具有高经济、环境和社会效益，也具有实际应用的技术潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例中的土壤湿气发电装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中的土壤薄膜湿气发电装置的红树林底泥土壤薄膜截面的扫描电子显微镜图；
图3是本发明实施例中的土壤薄膜湿气发电装置在10％、60％和90％相对湿度下的开路电压；
图4是本发明实施例中的土壤薄膜湿湿气发电装置在60％相对湿度充放电曲线；
图5是本发明实施例中的不同面积土壤薄膜制备的土壤湿气发电装置的开路电压；
图6是本发明实施例中的不同厚度土壤薄膜制备的土壤湿气发电装置的开路电压；
图7是本发明实施例中的土壤湿气发电机给电容充电。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例方案所使用的实验材料和试剂，若无特别说明，均为常规可从商业途径所获得的耗材和试剂。
实验材料
下述实施例中涉及的土壤如表1所示。
表1本发明实施例中使用的土壤
| 土壤名称 | 土壤来源 |
| 红树林底泥 | 中国，福建省漳州红树林 |
土壤湿气发电装置构建方法
发明人经试验发现，土壤薄膜中的亲水官能团在吸收了湿气之后会发生电离，电离后的可移动带电离子会随着土壤薄膜的切面受到湿度差的影响而产生定向移动，从而形成电场，此时，将其连接上外部电路就能够持续输出电能，即这种持续输出电能主要是由土壤薄膜表面的持续的湿气交换作用产生。
基于该发现，发明人构建出一套土壤湿气发电装置，该土壤湿气发电装置的制备过程及结构示意图如图1所示。
如图1所示，本发明实施例中的土壤湿气发电装置包括多孔顶部电极、底部电极和土壤薄膜。其中，该土壤湿气发电装置由上至下依次为多孔顶部电极、全细胞微生物膜以及底部电极。土壤薄膜置于底部电极上方，多孔顶部电极盖在土壤薄膜的上方，从而形成一个三明治结构的装置。
当将本发明实施例中的土壤湿气发电装置放置于空气时，空气中的水分(湿气)穿过多孔电极接触到土壤薄膜后，水分子会进入到干燥的土壤薄膜中，诱发土壤薄膜的亲水官能团的电荷分离，释放出可自由移动的带电离子，带电离子从土壤薄膜与多孔顶部电极的接触面(水分子高浓度区域)向土壤薄膜与底部电极的接触面(水分子低浓度区域)扩散，形成一个稳定电场。将多孔顶部电极和底部电极连接到外部电路后，这个电场在空气湿气的作用下可以持续的输出电能。
实施例1
一种土壤湿气发电装置，包括多孔顶部电极、底部电极以及红树林底泥。
具体制备方法包括如下步骤：
(1)制备土壤薄膜：
取干燥土壤研磨，过200目筛后得到土壤颗粒。将土壤颗粒用去离子水重悬浮后得到土壤溶液，即土壤悬浊液，土壤悬浊液浓度约为1g土壤/20mL去离子水，将400μL悬浊液均匀滴加在平面状模具内，20℃条件下干燥，得到厚度为60微米的红树林底泥薄膜。其中，本实施例中的模具为：使用导电玻璃构建的中空模具(中空部分的面积为2平方厘米)。
(2)将步骤(1)得到的土壤薄膜置于导电玻璃材质的底部电极上，然后在土壤薄膜上放置与底部电极等面积的钛网多孔顶部电极(孔径为100目)，即得土壤湿气发电装置。
实施例2
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备土壤湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例中的红树林底泥土壤薄膜的面积分别为0.25cm2和100cm2(即模具的中空部分的面积分别为5X5毫米和100X100毫米)。
实施例3
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备土壤湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例中的土壤的滴加量仅为实施例1中的滴加量的1/4和4倍，使干燥后获得的土壤薄膜厚度变为实施例1中的土壤薄膜厚度的1/4和4倍(分别为15微米和240微米)。
实施例4
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备土壤湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
在本实施例中，使用土壤湿气发电装置为商业电容充电。
土壤湿气发电装置的效果验证
(1)实施例1中的土壤湿气发电装置发电效果：
通过扫描电镜对实施例1中的方法中制备得到的土壤薄膜进行观察(图2)，发现其厚度为60微米，膜表面平整。通过对构建得到的土壤湿气发电装置进行截面观察，发现土壤薄膜与底部电极的接触紧密。
将实施例1构建得到的土壤湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现土壤薄膜在相对湿度为60％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使土壤湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例1构建得到的土壤湿气发电装置产生的开路电压基本维持在0.32伏(图3)，且I-V测试可以看出具有充放电能力(图4)。
随后，发明人调整相对环境湿度，将实施例1构建得到的土壤湿气发电装置放置于相对湿度为10％的环境中，发现其可以产生0.1伏的开路电压。将装置放置于相对湿度为90％的环境中，发现其可以产生0.22伏的开路电压(图3)。从而可以说明该装置在10～90％的空气湿度条件下都具有湿气发电性能，特别是在60％以上的湿度下的湿气发电性能更好，具有较广的应用范围。
(2)实施例2中的土壤湿气发电装置发电效果：
将实施例2构建得到的土壤湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现土壤薄膜在相对湿度为60％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使土壤湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例4构建得到的土壤湿气发电装置在不同面积(0.25cm2和100cm2)下产生的电压基本维持在0.15～0.39伏(图5)。在这个电压基本满足了一些小型电子设备的供电需求，具有极强的技术应用价值。
(3)实施例3中的土壤湿气发电装置发电效果：
将实施例3构建得到的土壤湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现土壤薄膜在相对湿度为60％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使土壤湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例3使用15微米和240微米厚度的土壤薄膜构建得到的土壤湿气发电装置产生的电压分别达到0.26伏和0.32伏。从而可以说明，本实施例中的土壤湿气发电装置可以使用5～200微米以内任何厚度的土壤薄膜，且均具有良好的发电性能。
(4)实施例4中的土壤湿气发电装置发电效果：
将实施例4构建得到的土壤湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现土壤薄膜在相对湿度为60％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使土壤湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例4用单个土壤湿气发电装置产生的电压为1000μF的电容充电(图7)，从而可以说明，本实施例中的土壤湿气发电装置可以满足一些小型电子设备的供电需求，且具有良好的发电性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
本发明公开了一种土壤湿气发电装置及其应用。该土壤湿气发电装置包括：顶部电极、底部电极以及土壤薄膜，所述土壤薄膜一侧表面与所述顶部电极贴合连接，另一侧表面与所述底部电极贴合连接。该装置能够持续的利用空气湿气产生0～0.4伏的开路电压和0～0.1微安的短路电流，具有无污染、清洁、可持续、发电条件几乎不受限等特点，可应用于电器供电或小型发电设备，具有较高的经济、环境和社会效益，也具有实际应用的技术潜力。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种土壤薄膜，其特征在于，所述土壤薄膜由干燥土壤颗粒组成；其中，所述干燥土壤颗粒为湿地底泥经干燥、研磨、过筛处理后制得。
2.根据权利要求1所述的土壤薄膜，其特征在于，所述土壤薄膜为土壤颗粒经干燥、研磨、过筛处理后，再经重悬浮、均匀施加在附着平面上后，再干燥处理制得，其干燥处理温度控制在20～20℃，所述湿地底泥为红树林底泥。
3.根据权利要求1所述的土壤薄膜，其特征在于，所述土壤薄膜的厚度为15～240μm，所述土壤薄膜的面积为0.25～100cm2。
4.一种湿气发电装置，其特征在于，其包括：
权利要求1至3之一所述的土壤薄膜；
顶部电极，贴合连接在所述土壤薄膜的一端面；
底部电极；贴合连接在所述土壤薄膜的另一端面。
5.根据权利要求4所述的湿气发电装置，其特征在于，所述顶部电极具有网孔结构，所述网孔结构的目数为10～500目，所述底部电极为无孔的平面电极。
6.根据权利要求4所述的湿气发电装置，其特征在于，所述顶部电极为钛、铁、不锈钢、铜、铝、金或银中的一种制成或一种以上复合制成。
7.根据权利要求4所述的湿气发电装置，其特征在于，所述底部电极为导电玻璃、碳基材料、铁、铜、铝、金或银中的一种制成或一种以上复合制成。
8.根据权利要求4至7任一项所述的湿气发电装置，其特征在于，所述湿气发电装置适用的工作环境的空气相对湿度为10％～90％。
9.一种发电设备，其特征在于：其包括权利要求4至2任一项所述的湿气发电装置。
10.一种电器设备，其特征在于：其应用有权利要求9所述的发电设备。
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