一种盐溶液性能增强的水伏发电机及其制备方法与应用

1.本发明涉及水伏发电技术领域，尤其涉及一种盐溶液性能增强的水伏发电机及其制备方法与应用。


背景技术：

2.随着传统能源的消耗以及传统能源带来的环境污染问题日趋严重，寻找新型环保能源成为重要的也是摆在全人类面前的重要课题。传统的环保型新能源(如风能、水力、太阳能等)得到了广泛的发展，但是这些技术都在一定程度上受到环境以及资源的制约，并且需要昂贵的设备投入。因此，市场上依然迫切需求开发一种受到环境影响小、资源丰富、清洁、廉价的发电技术。
3.利用水循环过程中吸收环境热能构建流动电势来捕获环境能源是近年来一种新兴的环境能源捕获技术，被称为水伏发电技术。这种技术只要在有水的常温环境下便可以工作，可以实现长时间持续的产电。然而进一步研究表明，这种基于流动电势的水伏发电机在盐溶液环境下无法正常工作，因此如何开发出一种可以在高盐度的海水、酸、碱、工业废水等环境下稳定工作的水伏发电机是水伏发电领域很重要的技术课题。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种盐溶液性能增强的水伏发电机及其制备方法与应用，该水伏发电机可以利用所有的水体系，包括纯水和所有具有盐度的水溶液进行发电，克服了现有技术的不足。
5.为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
6.一种盐溶液性能增强的水伏发电机，包括具有纳米导电材料层的功能化薄膜和分别设置在所述功能化薄膜的长度方向的两端且不相交的上电极和下电极，所述功能化薄膜包括分别位于其长度方向的两端的疏水区域与亲水区域，所述纳米导电材料层在所述疏水区域和所述亲水区域均形成有纳米导电材料形成的导电网络，且所述上电极、所述下电极分别设于所述疏水区域、所述亲水区域并与对应区域的导电网络导通；所述亲水区域设有所述下电极的部分始终浸没于水溶液中，所述疏水区域设有所述上电极的部分始终暴露于水溶液表面之外，所述上电极、所述下电极之间区域内的水气化过程中在亲水区域构建的溶质浓度梯度使两电极间形成浓差扩散电势。
7.作为其中一种实施方式，所述导电网络包括位于所述纳米导电材料层内部和/或表面的微米级和/或纳米级的非平面结构。
8.作为其中一种实施方式，所述非平面结构的形状包括微孔状、管状通道、凹槽结构中的任意一种或至少两种的组合。
9.作为其中一种实施方式，所述纳米导电材料层的材质选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、导电聚合物材料、导电二维材料的至少一种。
10.作为其中一种实施方式，所述功能化薄膜还包括电绝缘的衬底材料层，所述纳米
导电材料层形成于所述衬底材料层的一个表面。
11.作为其中一种实施方式，所述纳米导电材料层的厚度为0.01～100μm，和/或，所述功能化薄膜的方块电阻为0.01～30000千欧。
12.本发明的另一目的在于提供一种盐溶液性能增强的水伏发电机的制备方法，包括以下步骤：
13.提供功能化浆料，所述功能化浆料包括溶剂以及均匀分散于溶剂中的纳米导电材料；
14.将所述功能化浆料涂覆于衬底材料层上，形成导电薄膜；
15.将所述导电薄膜的一端进行亲水化处理，得到部分亲水化的导电的功能化薄膜；
16.在所述功能化薄膜的亲水化处理后的一端和未亲水化处理的另一端分别形成下电极和上电极。
17.作为其中一种实施方式，所述功能化浆料的制作方式为：将纳米导电材料于有机的溶剂中充分分散后获得，所述溶剂包括乙醇、水、环己烷、正己烷、丙酮、甲苯、苯、三氯甲烷和四氯化碳中的任意一种或两种以上的组合。
18.作为其中一种实施方式，所述功能化浆料的厚度为0.01～100μm，和/或，所述功能化薄膜的方块电阻为0.01～30000千欧。
19.本发明的又一目的在于提供一种所述盐溶液性能增强的水伏发电机用于可穿戴汗液发电系统的用途。
20.与现有技术相比，本发明的优点包括：
21.1)本发明提供的盐溶液性能增强的水伏发电机采用了制备简单、适用范围广、稳定性好且易于大面积制备的具有微纳结构的导电材料，可获得良好的产电性能，实现了从环境水中直接获取能源的目的而对水无任何要求且不需要外界给予特殊条件，可作为电源给各种电子/电器设备供电，克服现有技术的不足。
22.2)本发明提供的水伏发电机制备方法具有工艺简单、易于实施、对衬底材料要求低、清洁、成本低廉，应用广泛等特点，可以通过串并联等电路设计构建直流供电系统，获得优质能源。
23.3)本发明提供的基于该水伏发电机的汗液发电系统，提供了一种创新的、易于实施的、有效的可穿戴产电技术。与现有技术相比，发电更稳定，输出性能更高。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅作为本文发明的一些实施例，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附图。
25.图1a是本发明实施例提供的一种盐溶液性能增强的水伏发电机的结构示意图；
26.图1b是本发明实施例提供的一种盐溶液性能增强的水伏发电机的断面结构示意图；
27.图2a是本发明实施例提供的盐溶液性能增强的水伏发电机的功能化薄膜的一个表面形貌sem图；
28.图2b是本发明实施例提供的盐溶液性能增强的水伏发电机薄膜的另一个表面形貌sem图；
29.图3是本发明型实施例提供的一种盐溶液性能增强的水伏发电机的产电性能表征数据图；
30.图4是本发明实施例提供的一种盐溶液性能增强的水伏发电机的功能化薄膜的宽度对应开路电压和短路电流的变化曲线图；
31.图5是本发明实施例提供的一种盐溶液性能增强的水伏发电机的纳米导电层分别为氧等离子体处理的炭黑(ocb)和未处理的炭黑(cb)时，在不同的溶液中稳定工作后水伏发电机的开路电压变化曲线图；
32.图6是本发明实施例提供的一种盐溶液性能增强的水伏发电机的制备方法示意图；
33.图7是本发明实施例提供的一种柔性可穿戴汗液发电系统示意图；
34.图8是本发明实施例提供的一种柔性可穿戴汗液发电系统产生的电信号示意图。
35.图中标号说明如下：
36.1-功能化薄膜；
37.2-上电极；
38.3-下电极；
39.4-隔层；
40.11-纳米导电材料层；
41.12-衬底材料层；
42.110-导电网络；
43.1a-疏水区域；
44.1b-亲水区域。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.鉴于现有技术的缺陷，本案的发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，主要思想是构建盐溶液性能增强的水伏发电机，实现直接利用环境中资源最丰富的水体系包括地下水、海水、各种盐溶液、工业废水、酸液、碱液等进行发电，是一种最清洁、资源最丰富、最廉价、稳定、受环境影响小的产电技术，对未来解决能源与环境问题提供了一种解决方案，意义十分重大。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
47.实施例1
48.参阅图1和图2，本实施例提供了一种盐溶液性能增强的水伏发电机，包括功能化薄膜1和分别设置在功能化薄膜1的长度方向的两端且不相交的上电极2和下电极3，其中，功能化薄膜1具有纳米导电材料层11，该功能化薄膜1包括分别位于其长度方向的两端的疏水区域1a与亲水区域1b，纳米导电材料层11在疏水区域1a和亲水区域1b均形成有纳米导电
材料形成的导电网络110，且上电极2、下电极3分别设于疏水区域1a、亲水区域1b并与对应区域的导电网络110导通。在使用时，亲水区域1b设有下电极3的部分始终浸没于水溶液中，疏水区域1a设有上电极2的部分始终暴露于水溶液表面之外，下电极3、亲水区域1b的导电网络、疏水区域1a的导电网络、上电极2依次导通，上电极2、下电极3之间区域内的水气化过程中在亲水区域构建的溶质浓度梯度使两电极间形成浓差扩散电势。
49.导电网络110包括位于纳米导电材料层11内部和/或表面的微米级和/或纳米级的非平面结构，该非平面结构的形状包括微孔状、管状通道、凹槽等结构中的任意一种或至少两种的组合，例如，可以是表面的槽状结构，也可以是内部贯穿的管状结构，也可以是薄膜表面的微孔状结构，但不限于此。优选地，该微米级和/或纳米级的非平面结构包括由无序排布的纳米导电材料形成的复数个微米级和/或纳米级的孔，该微米级和/或纳米级的孔的孔径为1～20000nm。
50.在一种实施方式中，纳米导电材料层11的材质选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、导电聚合物材料、导电二维材料等的至少一种，但不限于此，且优选为炭黑。
51.另外，功能化薄膜1还包括电绝缘的衬底材料层12，纳米导电材料层11形成于衬底材料层12的一个表面。衬底材料层12可以包含柔性或/和刚性材料，对于材料的要求比较低。例如，衬底材料可以包括纸张、布料、丝绸、高分子材料(聚二甲基硅氧烷)、聚酰亚胺、聚乙烯等、天然纤维、木头、玻璃等绝缘体或阻抗较大材料，但不限于此，且优选为布料，如尼龙布。
52.在一种实施方式中，纳米导电材料层11的厚度为0.01～100μm，功能化薄膜1的方块电阻为0.01～30000千欧。
53.在一种具体的实施例中，该盐溶液性能增强的水伏发电机包括有微纳通道的纳米导电材料层11和衬底材料层12，其中，纳米导电材料层11采用导电炭黑，衬底材料层12选自纸张、布料、丝绸、高分子材料(聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯等)、天然纤维、木头、玻璃等绝缘体或阻抗较大材料。在本实施例中所述纳米导电材料层11的材料选自导电炭黑，衬底材料层12的材料为纤维素纤维布。纳米导电材料层11表面具有微米和/或纳米多级复合结构，微米和/或纳米多级复合结构包括非平面微米结构以及纳米结构。图2a和图2b示出了该水伏发电机的表面形貌sem图，由图2a和图2b可以清晰看到非平面微米结构包括大量微米孔道，纳米结构包括由无序排列的炭黑颗粒形成的多个纳米通道，其纳米导电材料层11的厚度为1微米。
54.图3为该水伏发电机在以海水为水源时的开路电压的长时间实时监测曲线。通过设计微米纳米多级复合结构，可以使得该水伏发电机具有良好的产电性能。
55.进一步地，本案发明人采用前述工艺制备了具有不同宽度的纳米发电机，并且发现，当纳米发电机宽度发生变化时，开路电压并不会发生变化，但是短路电流会随着宽度增加而增大，其对应变化数据请参阅图4。
56.在前述工艺中，本案发明人采用前文列出的各种高分子材料分别制成了电阻不同的水伏发电机，并且发现，当电阻大于1千欧时，发电机的短路电流减小，当电阻大于1兆欧时形成的发电已然无法很好的产电。
57.在本实施例中，本案发明人对表面区域化亲水处理的必要性进行了详细研究，并发现当功能化薄膜未进行亲水处理时，水伏发电机无法很好地产生电信号。
58.作为鲜明对比，当用氧等离子体进行一分钟的区域化亲水处理时，该水伏发电机可以持续稳定地产生较大的电压，其对应变化数据请参阅图5。优选亲水处理的区域与未亲水处理的区域分别位于薄膜的两端且相互连接，二者的面积之和即为功能化薄膜的总面积，且亲水处理的区域占大部分。
59.综上所述，根据本发明实施例提供的水伏发电机具有工艺简单、易于实施、对衬底要求低、清洁，成本低廉，应用广泛等特点，采用了制备简单，适用范围广，稳定性好且易于大面积制备的具有微纳结构的导电材料，可获得良好的产电性能，实现了直接从环境水中直接获取能源而对水无任何要求且不需要外界给与特殊条件，可作为电源给各种电子/电器设备供电，并且具有更稳定、清洁、受环境限制扰小、可以长期使用的特点。
60.实施例2
61.如图6所示，本实施例提供了一种盐溶液性能增强的水伏发电机的制备方法，包括以下步骤：
62.s01、提供功能化浆料，功能化浆料包括溶剂以及均匀分散于溶剂中的纳米导电材料。
63.作为其中一种实施方式，功能化浆料的制作方式为：将纳米导电材料于溶剂中充分分散后获得。该分散方法包括超声分散，该溶剂优选为有机溶剂，包括乙醇、水、环己烷、正己烷、丙酮、甲苯、苯、三氯甲烷和四氯化碳等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此，尤其优选为乙醇。
64.s02、将功能化浆料涂覆于衬底材料层12上，形成纳米导电材料层11薄膜。
65.优选地，该步骤至少采用浸涂方式将该功能化浆料涂覆施加到衬底材料层12上形成导电薄膜：纳米导电材料层11。
66.优选功能化浆料的厚度为0.01～100μm，功能化薄膜1的方块电阻为0.01～30000千欧。另外，衬底材料层12表面可以分布有其他结构，也可以没有其他结构。
67.s03、将导电薄膜的一端进行亲水化处理，得到部分亲水化的导电的功能化薄膜1。
68.将导电薄膜的一端进行亲水化处理，可以是对连续的区域进行处理，仅将导电薄膜的用于放置于溶液中的一端进行亲水化处理，用于暴露于空气中的另一端不处理或做疏水化处理，亲水化处理区域可与疏水化处理区域相连，二者的区域共同覆盖导电薄膜的表面区域。
69.该亲水化处理步骤包括：至少将所获得的导电薄膜修饰上极性官能团。优选地，该修饰方法可以包括溶液法、氧等离子体处理、臭氧/紫外处理等中的任意一种或两种及以上的组合，但不限于此，尤其优选为氧等离子体处理。
70.优选地，这里所说的极性官能团包括羧基、羟基、氨基等，但不限于此。
71.s04、在功能化薄膜1的亲水化处理后的一端和未亲水化处理的另一端分别形成下电极3和上电极2。
72.在功能化薄膜1的用于浸入溶液的亲水区域和暴露于空气中的疏水区域分别利用银浆粘结上一层电极材料，经固化等工序后，即可形成对应的下电极3和上电极2。
73.更为优选地，本实施例的水伏发电机的制备方法可以具体包括以下步骤：
74.(1)功能化浆料配制
75.在溶剂(乙醇、水、氯仿、甲苯、苯、丙酮、正己烷等有机溶剂)中加入纳米导电材料
(如炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、导电聚合物材料、导电二维材料等)超声分散，以保证纳米导电材料不团聚。
76.(2)在衬底上形成纳米导电材料层11
77.将上述制备好的功能化浆料通过浸涂法在衬底材料层12(纸张、布料、丝绸、高分子材料(聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯等)、天然纤维、木头、玻璃等绝缘体或阻抗较大材料)上构筑纳米导电材料层11，形成功能化薄膜1。
78.(3)区域化表面亲水化处理
79.将上述制备好的功能化薄膜1进行表面亲水处理，表面处理是通过氧等离子体处理1分钟，获得局部亲水的功能化薄膜1。
80.在制备工艺中，本案发明人采用前文所列出的各种材料分别制成了不同阻值的功能化薄膜1，并且发现，当功能化薄膜1的纳米导电材料层11的厚度在0.1μm以上、电阻在1兆欧以下时，可以拥有较好的产电效果，换而言之若厚度小于0.1μm，薄膜表面无法有效地形成微米或/和纳米通道，因此无法拥有很好的毛细作用，溶质的浓度梯度无法快速地形成。
81.本发明的盐溶液性能增强的水伏发电机的制备方法具有工艺简单、易于实施、对衬底要求低、应用广泛等特点。
82.实施例3
83.本发明还提供了前述的盐溶液性能增强的水伏发电机利用环境水发电的用途。该水伏发电机产生的电信号为持续性的直流电，用于驱动直流电供电设备。这里所说的环境水包括地下淡水、河水、海水、工业废水、去离子水、各种盐溶液等水体系。
84.并且，本发明还提供了一种直流供电系统，其包含前述的水伏发电机以及将水伏发电机电联接的电极。
85.如图7所示，本实施例提供了一种可穿戴汗液发电系统，盐溶液性能增强的水伏发电机作为其重要组成部分，该可穿戴汗液发电系统包含前述的水伏发电机组成的汗液发电机及能源管理系统形成的直流供电系统。该可穿戴汗液发电系统主要包括功能化薄膜1、上电极2、下电极3以及隔层4，功能化薄膜1、上电极2、下电极3组成水伏发电机，水伏发电机的功能化薄膜1位于隔层4外表面，上电极2、疏水区域1a的正投影位于隔层4内，下电极3以及至少部分亲水区域1b伸出于隔层4外(正投影位于隔层4外)，该隔层4用于贴合于人体表面而起到阻挡汗液的作用，使得汗液可以与未被隔层4阻挡的部分(下电极3以及至少部分亲水区域1b)接触，从而在上电极2、下电极3之间区域内的水气化过程中在亲水区域构建的溶质浓度梯度使两电极间形成浓差扩散电势，从而利用汗液产生电压，该柔性可穿戴汗液发电系统产生的电信号示意图见图8。
86.纳米导电材料层11的材料选自多壁碳纳米管，衬底材料层12的材料为玻璃，纳米导电材料层11为50mg多壁碳纳米管超声分散于200ml乙醇中后采用浸涂法制备，之后氧等离子体表面区域化亲水处理。
87.综上所述，本发明提供的水伏发电机具有工艺简单、易于实施、对衬底要求低、清洁，成本低廉，应用广泛等特点，采用了制备简单、适用范围广、稳定性好且易于大面积制备的具有微纳结构的导电材料，可获得良好的产电性能，实现了直接从环境水中直接获取能源而对水无任何要求且不需要外界给予特殊条件，可作为电源给各种电子/电器设备供电，且具有更稳定，清洁，受环境限制扰小，可以长期使用的特点。
88.以上所述仅是本技术的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。