基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置及其制备方法与应用与流程

本发明属于微能源回收利用领域，尤其是一种基于湿度的微能源发电装置，及其制备方法，以及利用此装置进行微能源回收利用的发电方法。

背景技术：

二十一世纪以来，能源和环境问题已经成为限制世界经济社会和人类文明进步的瓶颈问题。为了解决传统化石燃料的耗竭和环境污染的问题，新能源和可再生能源技术成为新时代技术发展的导向，例如太阳能、风能、水能、核能等都已经成功应用于生活和生产中。然而，生活中存在许多无规则的，无处不在的微小能源，比如大气中存在的水分子、人体运动能、机械振动能等，经常被人们所忽略，近年来，如何有效的进行微能源的收集利用成为研究热点。

此外，随着物联网技术快速发展，微源传感器的利用越来越多，便携式、可穿戴式的电子产品也已经成为生活和生产中必不可少的一部分，因此小型化，微型化和集成化成为该类电子产品的发展趋势，但是能源供应是该项技术发展的瓶颈问题，并受到广泛重视。在此背景下，对此类电子产品提出自驱动系统的概念。而随着电子科学技术的不断进步，这些传感器的功耗已经达到微瓦级别，利用环境中收集的微能源对低功耗传感器进行供电使得这类传感器自驱动成为可能。

自从自驱动概念提出以来，大量关于自驱动的研究成果涌现出来，也产生了各种环境能源的收集方式。比如振动驱动电磁式微能源采集器、压电式微能源采集器、静电式振动能量采集器、摩擦纳米发电机等等。但是从环境中水分能量的收集利用发展还不是很完善，随着纳米材料和微纳加工技术的快速发展，自供能体系迎来了新的发展机遇。这其中，基于流体与微纳结构界面相互作用所产生的动态电子相互作用(动电现象)成为近几年的研究热点。

但是目前基于动态电子作用的湿度发电的装置还存在许多问题和不如，所用的碳纳米材料(如氧化石墨烯，碳纳米管，炭黑)制备精细，步骤复杂；制备成本较高；电压电流较小；稳定时间短等。在已有的研究中总结发现，材料能够产生电压电流的关键就在于有含氧官能团的电离以及存在微孔通道供水和质子的传输。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术，本申请提供了一种具有广泛适用性和低成本的基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置及其制备方法，以及利用此装置进行微能源回收利用的发电方法。

技术方案：本发明所述的一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置，包括无尘纸，所述无尘纸表面覆有干燥的墨水碳；在覆有干燥的墨水碳的无尘纸两端涂导电银漆，用于连接作为电极的铜导线和无尘纸；所述无尘纸任一端还通过滴licl溶液干燥形成licl晶体。

进一步的，所述无尘纸呈长条状，长*宽尺寸为6cm*1cm。

进一步的，所述微发电装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余部分用胶带进行封装。

本发明还公开了一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)取无尘纸浸泡墨水后在空气中静置干燥；

(2)将步骤(1)处理后的无尘纸一端滴licl溶液后干燥；

(3)继续在无尘纸的两端涂导电银漆，并通过导电银漆将作为电极的铜导线和无尘纸粘连固化，封装即可。

步骤(1)中，取无尘纸剪成长条状，具体的，长*宽尺寸可以为6cm*1cm。

步骤(1)中，所述墨水为商用碳素墨水。

步骤(2)中，滴0.25mllicl溶液(1-5m)后在80℃下干燥。

步骤(3)中，无尘纸的两侧端部涂上导电银漆一方面可用于隔绝水和铜导线；另一方面用导电银漆将铜导线和纸粘连。涂导电银漆后在80℃的烘箱中1-3小时左右固化。

步骤(3)中，所述封装是指用胶带将整个装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余地方进行封装。

利用本申请所述基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置发电进行微能源回收利用的应用，具体的，将该微发电装置在20-80％的恒定湿度下下进行性能测试，产生0.2-0.35v电压。

有益效果：本发明所制备的基于无尘纸和墨水的湿度梯度微发电装置，一块6*1cm²的纸可以在20℃和50％相对湿度的环境中产生0.35v的电压和34.5μa的电流，并且产生的电压可以稳定时间超过100h。本发明通过纸片层数的增加可以起到并联效果。通过3块单层6cm*1cm的纸片串联，产生的电压和电流可以驱动一个8位的商业计算器；通过5块6层6*1cm²的纸片串联可以点亮红色、白色、蓝色、黄色、绿色的led灯泡。本发明所使用的纸和墨水都是简单易得的材料，节约了成本。本装置所使用的滴licl溶液形成结晶的方式，可以在空气中不断吸收水分从而建立湿度梯度，持续产生电压和电流。

附图说明

图1是本发明所使用的涂有墨水无尘纸的扫描电镜形貌图；

图2是本发明所使用的墨水的x射线光电子能谱图；

图3是本发明制备的纸基湿度发电机输出电压图；

图4是本发明的湿度发电机点亮led灯的示意图；

图5是本发明的纸基湿度发电机的结构整体图。

图中，1为涂有墨水的无尘纸，2为导电银漆，3为licl结晶，4为铜导线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本申请作出详细说明。

实施例1

如图5所示的一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置，包括：长条状、长*宽尺寸为6cm*1cm无尘纸1，无尘纸1表面覆有干燥的墨水碳；在覆有干燥的墨水碳的无尘纸1两端涂导电银漆2，用于连接作为电极的铜导线4和无尘纸1；无尘纸1任一端还通过滴licl溶液干燥形成licl晶体3。上述微发电装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余部分用胶带进行封装。

取样墨水碳2进行x射线光电子能谱分析，结果如图2所示，证实墨水碳中含有较多含氧官能团。

实施例2

一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无尘纸剪成6cm*1cm的小块；(2)将剪裁后的无尘纸浸泡墨水后在空气中静置干燥；(3)在纸的一端滴0.25mllicl溶液(5m)在80℃下干燥形成结晶；(4)纸的两侧端部涂上导电银漆用于隔绝水和铜导线；(5)用导电银漆将铜导线和纸粘连，在80℃的烘箱中2小时左右固化；(6)整个装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余地方用胶带进行封装。

分别取样步骤(1)处理后的无尘纸、步骤(2)涂有墨水的无尘纸进行电镜扫描，结果分别如图1中(a)(b)所示，根据图示可见，无尘纸表面具有独特的多孔结构，墨水碳均匀地包覆在这些孔洞中。

制备完成后整个装置在50％的恒定湿度下进行性能测试，产生0.35v电压和34.5μa电流。

实施例3

一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无尘纸剪成6cm*1cm的小块；(2)将剪裁后的无尘纸浸泡墨水后在空气中静置干燥；(3)在纸的一端滴0.25mllicl溶液(2m)在80℃下干燥形成结晶；(4)纸的两侧端部涂上导电银漆用于隔绝水和铜导线；(5)用导电银漆将铜导线和纸粘连，在80℃的烘箱中2小时左右固化；(6)整个装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余地方用胶带进行封装。

制备完成后整个装置在50％的恒定湿度下进行性能测试，产生0.26v电压和23.8μa电流。

实施例4

一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无尘纸剪成6cm*1cm的小块；(2)将剪裁后的无尘纸浸泡墨水后在空气中静置干燥；(3)在纸的一端滴0.25mllicl溶液(1m)在80℃下干燥形成结晶；(4)纸的两侧端部涂上导电银漆用于隔绝水和铜导线；(5)用导电银漆将铜导线和纸粘连，在80℃的烘箱中2小时左右固化；(6)整个装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余地方用胶带进行封装。

制备完成后整个装置在50％的恒定湿度下进行性能测试，产生0.18v电压和12.3μa电流。

实施例2-4相比较，仅licl溶液浓度不一样，测定结果说明：licl溶液浓度的提高可以提高装置产生的电压和电流。

实施例5

一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无尘纸剪成6cm*1cm的小块；(2)将剪裁后的无尘纸浸泡墨水后在空气中静置干燥；(3)在纸的一端滴0.25mllicl溶液(5m)在80℃下干燥形成结晶；(4)纸的两侧端部涂上导电银漆用于隔绝水和铜导线；(5)用导电银漆将铜导线和纸粘连，在80℃的烘箱中2小时左右固化；(6)整个装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余地方用胶带进行封装。

制备完成后整个装置在20％的恒定湿度下进行性能测试，产生0.15v电压和16.4μa电流。

相比较于实施例2，该实施例仅有最后的性能测定湿度不一样，测定结果说明：较低的湿度无法维持湿度微发电装置的水源供应，装置产生电压电流较低。

实施例6

一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无尘纸剪成6cm*2cm的小块；(2)将剪裁后的无尘纸浸泡墨水后在空气中静置干燥；(3)在纸的一端滴0.25mllicl溶液(5m)在80℃下干燥形成结晶；(4)纸的两侧端部涂上导电银漆用于隔绝水和铜导线；(5)用导电银漆将铜导线和纸粘连，在80℃的烘箱中2小时左右固化；(6)整个装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余地方用胶带进行封装。

制备完成后整个装置在50％的恒定湿度下下进行性能测试，产生0.34v电压和67.4μa电流。

相比较于实施例2，该实施例仅无尘纸大小不一样，测定结果说明：宽度的提高有利于装置电流的提高，电压变化不大。

实施例7

一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无尘纸剪成6cm*1cm的小块；(2)将剪裁后的无尘纸浸泡墨水后在空气中静置干燥；(3)在纸的一端滴0.25mllicl溶液(5m)在80℃下干燥形成结晶；(4)纸的两侧端部涂上导电银漆用于隔绝水和铜导线；(5)用导电银漆将铜导线和纸粘连，在80℃的烘箱中2小时左右固化；(6)整个装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余地方用胶带进行封装。

按照上述制备方法制备3个装置，将3个装置串联，在50％的恒定湿度下进行性能测试，产生0.112v电压和34.5μa电流，产生的电压和电流可以驱动一个8位的商业计算器。

实施例8

一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无尘纸剪成6cm*1cm的小块；(2)将剪裁后的无尘纸浸泡墨水后在空气中静置干燥；(3)在纸的一端滴0.25mllicl溶液(5m)在80℃下干燥形成结晶；(4)纸的两侧端部涂上导电银漆用于隔绝水和铜导线；(5)用导电银漆将铜导线和纸粘连，在80℃的烘箱中2小时左右固化；(6)整个装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余地方用胶带进行封装。

按照上述制备方法制备3个装置，将3个装置叠在一起，在50％的恒定湿度下进行性能测试，产生0.35v电压和102.7μa电流，起到并联的效果。

实施例9

一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无尘纸剪成6cm*1cm的小块；(2)将剪裁后的无尘纸浸泡墨水后在空气中静置干燥；(3)在纸的一端滴0.25mllicl溶液(5m)在80℃下干燥形成结晶；(4)纸的两侧端部涂上导电银漆用于隔绝水和铜导线；(5)用导电银漆将铜导线和纸粘连，在80℃的烘箱中2小时左右固化；(6)整个装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余地方用胶带进行封装。

制备完成后在50％的恒定湿度下进行长时间性能测试，产生电压可以维持100小时以上(如图3所示)。

实施例10

一种基于无尘纸和墨水的湿度微发电装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无尘纸剪成6cm*1cm的小块；(2)将剪裁后的无尘纸浸泡墨水后在空气中静置干燥；(3)在纸的一端滴0.25mllicl溶液(5m)在80℃下干燥形成结晶；(4)纸的两侧端部涂上导电银漆用于隔绝水和铜导线；(5)用导电银漆将铜导线和纸粘连，在80℃的烘箱中2小时左右固化；(6)整个装置除含有licl结晶部分暴露空气中之外，其余地方用胶带进行封装。

按照上述制备方法制备36个装置，每6个叠在一起后串联，在50％的恒定湿度下进行性能测试，可以驱动一个led灯(如图4所示)。