一种基于液体蒸发的发电器件的制作方法

本发明涉及一种利用水等极性液体的自然特性发电的装置，特别涉及一种利用极性液体在具有增强毛细作用的碳纳米结构表面定向移动而产生较大电压，且成本低廉、制备简单的发电装置。

背景技术：

在2001年，král等人首次理论预测了水或极性液体在碳纳米管表面移动时会有电压产生现象，其机制被认为是类似于热电发电中电子的声子驱动现象。极性液体在碳纳米结构中流动会带动碳结构中的电子云定向移动，并产生电势差和电流，而液体中的离子可以增强这一效应（p.králetal.,phys.rev.lett.,2001,vol86,pp131-134）。而后，ghosh等人于2003年使用碳纳米管首次实验证实了král等人的理论，产生了约30mv的电压，并总结出了产生的电压对液体的流速、极性和离子浓度依赖性较大，对液体的粘度依赖性较弱的结论（s.ghoshetal.,science,2003,vol299,pp1042-1044）。此后的十几年中许多人研究了水以及以水为溶剂的各种液体在诸如碳纳米管、石墨烯等碳纳米结构表面流动而产生电压和电流的试验。而在2017年，xue等人使用乙醇碳黑为水流动的基底，将其表面进行氧等离子体处理以增强毛细作用，最终产生了约1v的电压与约100na的电流，大幅增加了此现象的实际应用前景（g.xueetal.,nat.nanotechnol.,2017,vol12,pp317-321）。但是，存在着器件组装工艺复杂、碳膜涂覆温度高及基底材料受限大等问题。

技术实现要素：

为了克服碳纳米材料制作高成本和碳材料天然的疏水性的缺点，我们使用普通的布为基底，布中亲水纤维即为天然的亲水骨架，大幅增加了材料基底的毛细作用，所以液体可以以更大的流量也更加快速地流过碳纳米结构表面，从而以十分简单且廉价的方式提高了发电功率。

本发明采用的技术方案为：一种基于液体蒸发的发电器件，所述发电器件为浸泡碳素墨水并晾干的浸墨布，浸墨布使用的基底为亲水纤维织造的布。

一种基于液体蒸发的发电器件的制备方法，包括以下步骤：

（1）将布裁剪成布条，洗净晾干；

（2）将上述布条完全浸没在碳素墨水中3-5小时后取出自然晾干；

（3）重复步骤2四次以上，晾干后得浸墨布。

碳素墨水为普通的市售墨水，亲水纤维采用的是棉、麻等天然纤维，具有很好的亲水性能。

本发明使用将裁剪好的布匹反复浸入碳素墨水中以制作附着在布匹纤维表面的碳纳米结构。

本发明采用使用布为基底多次浸泡碳素墨水并晾干的浸墨布为装置，利用液体的自发扩散与蒸发而在浸墨布中形成液体的浓度梯度，并以此发电。液体可以是纯水或其他以极性分子液体为溶剂的离子溶液，并能够经由布匹纤维而增强其毛细现象并加速扩散。

通过多次浸墨并晾干从而形成包裹住布匹纤维的碳纳米结构，并以此增强液体的毛细现象使得液体自发扩散流经碳纳米结构从而发电。

碳素墨水是将碳纳米粒子分散在水中的碳素墨水。

浸墨布是将布匹裁剪成型后反复浸入碳素墨水中并自然晾干的过程，形成包裹住布匹纤维的碳纳米结构。

液体浓度梯度是液体在浸墨布中扩散并由液体的蒸发维持的浓度梯度，进而发电。

本发明的原理：由于布纤维增强了水等极性液体的毛细作用，所以液体可以以更大的流量也更加快速地流过碳纳米结构表面，从而以十分简单且廉价的方式提高了发电功率。我们使用普通的麻布为例，麻材料纤维即为天然的亲水骨架，大幅增加了材料基底的毛细作用，以此增加液体的流速与流量。并通过将麻布反复浸润并晾干在碳素墨水中，从而形成包裹着麻纤维的纳米碳黑结构，使得液体在麻纤维中流动的同时可以流经碳纳米结构从而产生电能。利用水等极性液体在布纤维中的毛细作用引起液体流动从而产生电势差。通过将浸墨布竖直悬挂垂入液体中，利用液体的蒸发与重力维持该液体在浸墨布竖直方向上的浓度梯度，从而维持电势差。经试验发现当液体中有较高浓度的离子时可以显著增强其发电功率。

由于空气湿度过高或过度使用使得浸墨布表面液体浓度梯度差变小后而引发的发电功率下降现象，可以通过烘干或重新浸墨而恢复原有发电能力，所以本发明可以多次重复使用。本发明的单个发电器件产生的电压可以达到近1伏特，电流可以达到近10微安，而通过串联或并联更多的发电器件其电压与电流还可以继续提高。

本发明的有益效果为：为了维持碳纳米结构足够的亲水性与蒸发效率，该装置通过将一块洁净的布反复在碳素墨水中浸泡并晾干而制成。布匹纤维用来增强液体的毛细作用，碳素墨水中的碳纳米颗粒沉积在纤维表面使得液体在纤维中定向移动并产生电压。相对于传统的纯碳纳米结构，该装置在提高了发电效率的同时还大幅度降低了制作难度与成本。通过实验测试，每块浸墨麻布（尺寸约为25cm×3cm）在去离子水中可以产生近1伏特的开路电压以及数微安的短路电流。该装置可以维持至少一个月的稳定发电效率，且在失效后可以再次浸墨晾干恢复原有发电效率多次重复使用。与传统的经过表面处理的碳纳米结构材料相比，此装置的发电功率高了1-2个数量级。对于水溶液而言环境温度越高湿度越低则发电效率越高，在一定浓度的nacl水溶液中，发电功率还能再提高至少2倍。同时我们设计的发电器件是无需外界提供能源输入的，电能完全由液体自发的扩散产生，由液体自发的蒸发维持与驱动。

同时本发明还具有以下优点：制作十分简单且成本低廉；在自然环境下即可正常工作；使用的液体简单易得，且在较高离子浓度的液体中效果更好；该系统可以长时间稳定工作；该器件对环境无污染，可以多次重复利用。

附图说明

图1是该发电器件的示意图。

具体实施方式

本发明具体实施方法如下：

以下仅介绍利用麻布为基底，水为流动极性液体的这一种实施方案实例，并不能以此限定本发明的范围。

实施例1

（1）单个发电器件制备过程如下：

将麻布裁剪成长25厘米、宽3厘米的布条，洗净晾干。将上述布条完全浸没在15毫升的碳素墨水中数小时后取出自然晾干，并重复上述步骤一共四次。碳素墨水为普通市售的英雄碳素墨水。

不同的液体由于其中的电荷种类、电荷密度等条件的不同会有些许差异，本例中以去离子水为例。

（2）将上述干燥的浸墨麻布条竖直垂入盛有去离子水中玻璃皿中，浸没布条高度约为2厘米。去离子水将迅速通过麻布向上扩散，扩散过程中将会产生较高的输出电压，待扩散稳定后，电压将会维持在某一特定值小幅波动（几毫伏）。

（3）使用实验室常用万用表或数字源表即可监测其电压与电流，电极的位置可能会影响其监测结果。

由于在水沿布的扩散稳定后将会存在一条布的干/湿分界线（下称水线），在靠近水线下方附近将是水的浓度梯度最大的位置，将电极两端横跨水线上下相距约5厘米放置通常会有较好的监测结果，单个发电器件可以产生约0.3伏特的电压和约5微安的电流。对于串、并联发电器件组而言，只需按照需求将每个发电器件进行相应的串并联即可。本发明利用水的蒸发与流动来发电，不需要任何外部能源输入，通过对多个器件单元串并联可以成倍提高其功率，是非常实用的电源。

实施例2

（1）单个发电器件制备过程如下：

将麻布裁剪成长25厘米、宽3厘米的布条，洗净晾干。将上述布条完全浸没在15毫升的碳素墨水中数小时后取出自然晾干，并重复上述步骤一共四次。

不同的液体由于其中的电荷种类、电荷密度等条件的不同会有些许差异，本例中以浓度为36.27g/l的nacl水溶液为例，其中溶剂为去离子水。

（2）将上述干燥的浸墨麻布条竖直垂入盛有nacl水溶液的玻璃皿中，浸没布条高度约为2厘米，nacl水溶液将迅速通过麻布向上扩散。

（3）使用实验室常用万用表或数字源表即可监测其电压与电流，电极的位置可能会影响其监测结果。

常用万用表或数字源表的电极两端横跨水线上下相距约5厘米放置，进行就按册，单个发电器件可以产生约0.6伏特的电压和约8微安的电流。由此可见，对于较高离子浓度的液体，本发明可以获得更高功率的电能。

以上介绍仅为对本发明的一种实施方案的举例，并不能以此限定本发明的范围，对任何依据本发明所做出的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。