一种用于水伏发电机的功能阵列的制备方法与流程

本发明涉及水伏发电机制备领域，尤其是一种用于水伏发电机的功能阵列的制备方法。

背景技术：

水与能量密切相关，维持着地球系统的能量循环，生物体的温度平衡，是天然的吸能器、储能器、换能器和传能器。太阳辐射到达地表能量的近70％被水吸收，水在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦，比全人类年平均能量消耗功率高出3个数量级。水以热能、动能的形式存储所吸收的热量，更以蒸发、凝结、形云布雨、兴风作浪的形式，把存储的太阳能转化成机械能等多种形式的能量。传统的水能利用模式受自然条件的限制大，容易被地形、气候等外部因素所影响，大型设施设备的建造和使用容易导致生态破坏和成本提升。纳米材料具有显著的量子效应和表面效应，可与各种形式的水发生耦合而输出显著的电信号，如石墨烯可通过双电层的边界运动将拖动和下落水滴的能量直接转化为电能、也可将海水波动能转化为电能。碳黑等纳米结构材料可通过大气环境下无所不在的水的自然蒸发，持续产生伏级的电能。这类直接转化水能为电能的现象称为“水伏效应”。水伏效应为全链条式捕获地球水循环的水能开辟了全新的方向，提升了水能利用能力。

水伏效应的研究刚刚起步，需要开发应用环境多样化、能量转化高效、发电成本低廉的新型水伏材料与器件。大多数水伏发电装置没有摆脱蒸发发电模式，可归类于本专利发明人在先前发明专利中提出的“水伏电池”概念之中，薄膜需尽量做薄，只能利用周围环境热量，且仅能借助毛细力与蒸发腾出的空位驱动液体流动，导致发电效率难以进一步提升。

技术实现要素：

本发明提出一种新概念-“水伏发电机”，用以代替传统的水力发电机的功能与位置，为水能应用提供新的形式。“水伏发电机”利用的能量形式是传统的水的重力势能，并非毛细力与蒸发所带动的“水伏电池”中所利用的环境热量，驱动力为重力与毛细力。因此，“水伏发电机”利用的能量密度要远远高于“水伏电池”，其输出功率存在几个数量级提升的可能性，并且在形式上可以更加多样化，结构受限更少，发电通道可以做得更长，发电功能区可以做得更厚，克服了蒸发与毛细力的限制，在工业应用上具备更大优势。“水伏发电机”的核心就是发电阵列，其发电原理为水伏效应，并非传统水力发电机利用水的机械能带动磁感线的切割产生电能。“水伏电池”在原理与形式上更接近于传统的化学电池，而本发明提出的“水伏发电机”利用能量的形式更接近于传统的水力发电机。另外，毛细通道有效利用了伯努利原理，微观上水流移速极快，狭窄的通道可以使定量的水在更长时间内工作。

本发明采用如下技术方案：

一种用于水伏发电机的功能阵列的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散液和氧化铝纳米纤维分散液混合得到混合液，将所述混合液置入预定容器中，并将所述预定容器的底部与冷源接触进行方向自下而上的定向冷冻，得到垂直取向的氧化石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列，对垂直取向氧化石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列进行冷冻干燥；

(2)对所述冷冻干燥之后的垂直取向氧化石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列进行还原处理，得到石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列；

(3)将乙基纤维素、氧化铝纳米颗粒和氧化铝纳米纤维放入无水乙醇中加热搅拌，获得均匀的浆料，将石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列浸入浆料中，使浆料填满阵列的通道；

(4)将填满浆料的石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列放入马弗炉中，在空气氛围中退火，自然冷却至室温；

(5)在阵列的底部与顶部区域分别添加防水电极与导线，在阵列的四周涂覆防水涂层，得到水伏发电机的功能阵列。

步骤(1)中的氧化石墨烯分散液浓度为1-10mg/ml，氧化铝纳米纤维分散液浓度为2-10mg/ml，氧化铝纳米纤维的直径为50-1000nm，长度为20-2000μm，氧化石墨烯分散液与纳米纤维分散液的质量比为1∶(0.1～10)，定向冷冻的温度为-196℃～-50℃，时间为10-30分钟，冷冻干燥的温度为-54℃～-48℃，时间为36-72小时。

步骤(2)中的还原处理使用化学法或者高温法，化学法中还原剂为水合肼，还原时间为1-24小时，高温法需要在保护气氛中进行，还原温度为300-1000℃，还原时间为2-6小时。

步骤(2)中的石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列的通道宽度为20-300μm。

步骤(3)中氧化铝纳米颗粒与氧化铝纳米纤维的质量比例为1∶0.01-1∶100，氧化铝纳米颗粒与乙基纤维素的质量比例为1∶0.1-1∶20，氧化铝纳米颗粒与无水乙醇的质量比例范围为1∶1-1∶200，氧化铝纳米颗粒平均尺寸为20nm-50μm，氧化铝纳米纤维直径为10-1000nm，长度为10-500μm。

步骤(4)中退火温度为150-450℃，退火时间在30min-24h。

步骤(5)中的防水电极与导线用于收集阵列底部与顶部电荷差异带来的电能，防水电极需分别横贯顶端及底端，防水涂层防止水分子从侧面流出，采用领域内常规材料及常规做法，顶部的去离子水在重力作用下通过水伏发电机的功能阵列，从功能阵列的下部流出，发电效率远远高于蒸发驱动的水伏电池。

本发明具有如下优势：

(1)本发明首次提出“水伏发电机”概念，所述方法制备的水伏发电机的功能阵列能够依靠水流定向移动产生电能，用以代替传统的水力发电机的功能与位置，为水能应用提供新的形式。“水伏发电机”的核心就是发电阵列，其发电原理为水伏效应，并非传统水力发电机利用水的机械能带动导电回路与磁感线相切产生电能。

(2)“水伏发电机”利用的能量形式是传统的水的重力势能，并非毛细力与蒸发所带动的“水伏电池”中所利用的环境热量，相比较蒸发驱动的“水伏电池”，“水伏发电机”利用的能量密度要远远高于“水伏电池”，应用形式多样化，结构受限更少，发电通道可以做得更长，发电功能区可以做得更厚，克服了蒸发与毛细力的限制，在工业应用上具备更大优势。

(3)“水伏发电机”的驱动力为重力与毛细力的叠加，水分子在水伏发电机功能阵列中的运行速度快于蒸发发电形式的水伏电池，发电效率大大提升。

(4)垂直取向的石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列提供了定向通道，规范了水流走向，防止无效流动的产生，并行流动的水分子起到集群作用，有利于提升发电效率、发电密度与发电量。

(5)垂直取向的石墨烯为环路电极收集电荷提供了有效途径。

(6)纳米纤维、薄膜阵列与纳米颗粒的组合及其钢筋混凝土结构使得“水伏发电机”功能阵列的机械性能优良。

(7)氧化铝纳米颗粒与氧化铝纳米纤维的水伏效应显著，相辅相成。

(8)毛细通道有效利用了伯努利原理，微观上水流移速极快，狭窄的通道可以使定量的水在更长时间内工作发电。

(9)本发明所述方法制备工艺简单，所用材料易得，对设备的要求较低，易于工业化。

附图说明

图1为垂直取向的氧化石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列示意图，1为氧化石墨烯，2为氧化铝纳米纤维，3为“水伏发电机”功能阵列的通道。

图2为石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列示意图，4为石墨烯。

图3为填充纳米颗粒与纳米纤维的功能阵列示意图，5为氧化铝纳米颗粒，6为后加入的氧化铝纳米纤维。

图4为水伏发电机的功能阵列示意图，7为防水电极。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

(1)将浓度为2mg/ml氧化石墨烯分散液和浓度为2mg/ml氧化铝纳米纤维分散液混合得到混合液，氧化铝纳米纤维的直径为100nm，氧化石墨烯分散液与氧化铝纳米纤维分散液的质量比为1∶1。

(2)将所述混合液置入聚四氟乙烯容器中，并将容器的底部与液氮接触，时间为30分钟，得到垂直取向的氧化石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列，对垂直取向氧化石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列进行冷冻干燥，时间为36小时。

(3)将垂直取向的氧化石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列浸入水合肼溶液，还原2小时，得到石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列。

(4)将质量比为1∶10∶4∶20的乙基纤维素、氧化铝纳米颗粒、氧化铝纳米纤维与无水乙醇中混合并加热搅拌，温度为80℃，时间为2小时，获得均匀的浆料，氧化铝纳米颗粒平均尺寸为100nm，氧化铝纳米纤维直径为20nm，长度为20-200μm。

(5)将填满浆料的石墨烯/氧化铝纳米纤维阵列放入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度为370℃，时间为2小时。

(6)自然冷却至室温，在阵列的底部与顶部区域分别添加防水电极与导线，防水电极需分别横贯顶端及底端，在阵列的四周涂覆防水涂层，得到水伏发电机的功能阵列。

(7)在顶部水箱注入去离子水，在重力作用下水通过水伏发电机的功能阵列，以肉眼可见的方式从功能阵列的下部流出，通过电极输出电能。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。