一种普鲁士蓝-石墨电极片及其制备方法和组装的热电器件

本发明涉及热电转换，具体涉及一种普鲁士蓝-石墨电极片及其制备方法和组装的热电器件。

背景技术：

1、随着“物联网”概念的兴起，自供电电子设备(例如：可穿戴电子设备、便携式检测系统、软机器人等)引起了人们极大的关注。从理论上讲，可以通过能量收集装置将无处不在的余热(例如：阳光、地热能、机械工作或人体产生的余热)转化为电能加以利用，这也是解决全球能源危机和环境问题的有效策略之一。

2、人体的温度始终可以维持在35℃左右，而人体与环境之间的温差通常超过10℃，如此大的温差为能源的利用提供了相当大的动力，因此人体产生的余热具有很大的应用潜力。热电器件可以将人体产生的余热转换成电能并储存起来，但现有的热电器件普遍存在成本高、机械灵活性差、柔韧性差、毒性高、热-电转换效率低、存储容量小等问题，尚难以完全满足实际应用要求。

3、因此，开发一种热-电转换效率高、存储容量大、成本低、柔韧性好、安全环保的热电器件具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种普鲁士蓝-石墨电极片及其制备方法和组装的热电器件。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种普鲁士蓝-石墨电极片，其组成包括石墨片和沉积在石墨片表面的普鲁士蓝沉积层。

4、一种如上所述的普鲁士蓝-石墨电极片的制备方法包括以下步骤：将石墨片作为工作电极、碳布作为辅助电极、甘汞电极作为参比电极组装三电极体系，再将氯化铁、铁氰化钾、氯化钾和盐酸加水配制成电沉积液，再将三电极体系放入电沉积液中通过循环伏安法进行电沉积在石墨片表面形成普鲁士蓝沉积层，即得普鲁士蓝-石墨电极片。

5、优选的，所述氯化铁、铁氰化钾、氯化钾的摩尔比为1:1～1.5:25～30。

6、优选的，所述电沉积的电位范围为0.4v～0.8v，扫描速率为40mv/s～80mv/s，扫描圈数为10圈～60圈。

7、一种热电器件，其组成包括依次设置的第一电极层、离子热电水凝胶层和第二电极层；所述第一电极层和第二电极层均为上述普鲁士蓝-石墨电极片。

8、优选的，所述离子热电水凝胶层中的离子热电水凝胶是由包括以下步骤的制备方法制成：

9、1)将丙烯酰胺、丙烯酸钾、交联剂和光引发剂分散在水中，再进行紫外光引发聚合，得到水凝胶；

10、2)将水凝胶浸入硫酸溶液进行透析，即得离子热电水凝胶。

11、优选的，步骤1)所述丙烯酰胺、丙烯酸钾的质量比为1:1.5～1.7。

12、优选的，步骤1)所述交联剂为n,n-亚甲基双丙烯酰胺、二乙烯基苯、二异氰酸酯中的至少一种。

13、优选的，步骤1)所述光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮中的至少一种。

14、优选的，步骤2)所述硫酸溶液的浓度为0.1mol/l～1.0mol/l。

15、优选的，步骤2)所述透析的时间为48h～96h，每20h～30h更换一次硫酸溶液。

16、本发明的原理：本发明的热电器件中的离子热电水凝胶层两端存在温差时，由于热扩散效应，氢离子和硫酸根离子会从热端迁移到冷端，然而，在高交联密度的聚合物网络结构中，由于氢离子比硫酸根离子小，因此，氢离子在聚合物网络中的迁移阻力比硫酸根离子小，氢离子的迁移速率也更快，导致氢离子更快聚集在电极冷端，硫酸根离子则保持在热侧，会产生了一个从冷电极端指向热电极端的电场，从而产生一个热扩散电压，此外，当热电器件两端电极为可以进行氧化还原的电极时，除了上述的热扩散效应，还存在由于氧化还原反应引起的热电偶效应，在热端电极上，由于热扩散效应使热端电极更加有利于氧化反应的发生，使电子进入热端电极，使热端电极具有较低的电压，产生与热扩散效应一致的热电势，而在冷端，在热力学上对于还原反应是有利的，电子从冷电极端迁移出来，从而使冷电极端具有较高的电压，最终，热扩散效应与热电偶的协同作用，使得热电器件具有更高的输出电压和功率。

17、本发明的有益效果是：本发明的普鲁士蓝-石墨电极片可以储存能量，且具有一定的柔韧性，将其与离子热电水凝胶材料组装制成的热电器件具有可热/电充电、热-电转换效率高、存储容量大、柔韧性好、制备工艺简单、成本低、安全环保等优点，适合进行大规模生产应用。

技术特征：

1.一种普鲁士蓝-石墨电极片，其特征在于，组成包括石墨片和沉积在石墨片表面的普鲁士蓝沉积层。

2.一种如权利要求1所述的普鲁士蓝-石墨电极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的普鲁士蓝-石墨电极片的制备方法，其特征在于：所述电沉积的电位范围为0.4v～0.8v，扫描速率为40mv/s～80mv/s，扫描圈数为10圈～60圈。

4.一种热电器件，其特征在于，组成包括依次设置的第一电极层、离子热电水凝胶层和第二电极层；所述第一电极层和第二电极层均为权利要求1所述的普鲁士蓝-石墨电极片。

5.根据权利要求4所述的热电器件，其特征在于：所述离子热电水凝胶层中的离子热电水凝胶是由包括以下步骤的制备方法制成：

6.根据权利要求5所述的热电器件，其特征在于：步骤1)所述丙烯酰胺、丙烯酸钾的质量比为1:1.5～1.7。

7.根据权利要求5或6所述的热电器件，其特征在于：步骤1)所述交联剂为n,n-亚甲基双丙烯酰胺、二乙烯基苯、二异氰酸酯中的至少一种。

8.根据权利要求5或6所述的热电器件，其特征在于：步骤1)所述光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮中的至少一种。

9.根据权利要求5所述的热电器件，其特征在于：步骤2)所述硫酸溶液的浓度为0.1mol/l～1.0mol/l。

10.根据权利要求5或9所述的热电器件，其特征在于：步骤2)所述透析的时间为48h～96h，每20h～30h更换一次硫酸溶液。

技术总结
本发明公开了一种普鲁士蓝‑石墨电极片及其制备方法和组装的热电器件。本发明的普鲁士蓝‑石墨电极片的组成包括石墨片和沉积在石墨片表面的普鲁士蓝沉积层。本发明的热电器件的组成包括依次设置的第一电极层、离子热电水凝胶层和第二电极层，第一电极层和第二电极层均为本发明的普鲁士蓝‑石墨电极片。本发明的普鲁士蓝‑石墨电极片可以储存能量，且具有一定的柔韧性，将其与离子热电水凝胶材料组装制成的热电器件具有可热/电充电、热‑电转换效率高、存储容量大、柔韧性好、制备工艺简单、成本低、安全环保等优点，适合进行大规模生产应用。

技术研发人员：肖广连,曾炜
受保护的技术使用者：广东省科学院化工研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11