基于LDHs的水蒸发发电器件的性能调控方法技术

本发明专利技术公开了一种基于LDHs的水蒸发发电器件的性能调控方法，包括如下步骤：制备带有不同表面电荷密度的LDHs固体粉末；将不同的LDHs固体粉末均匀分散在液体中，形成LDHs液体；一定温度下将不同的LDHs液体涂覆在装有极耳的基底上；烘干，使LDHs液体均匀成膜。本发明专利技术利用LDHs二维层上二价金属离子可以被三价金属离子取代的结构特点，通过控制二价和三价金属离子的摩尔比，可以精确调控LDHs表面的电荷密度，从而对LDHs基水蒸发发电器件的性能进行精确调控。本发明专利技术突破了传统的碳基水蒸发发电器件的性能难以精确调控的科学难点，为自驱动可穿戴器件的性能调控奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
基于LDHs的水蒸发发电器件的性能调控方法
本专利技术涉及一种基于LDHs的水蒸发发电器件的性能调控方法。
技术介绍
将环境能量转变成电能是构筑低成本、绿色、自驱动器件的必要环节。水蒸发是自然界中每时每刻都在自发进行的过程，利用水蒸发产生电能的水蒸发发电器件业已问世。现有的水蒸发发电器件的结构是设有装有电极的基底，基底上有与电极相接的涂层。将水蒸发发电器件的涂层部分浸泡在水中，以水蒸发做为驱动力，便可在涂层中产生流动电势，进而在两电极之间产生电能(电压和电流)。目前应用于水蒸发发电器件的涂层材料只有两种，一种是炭材料，一种是LDH材料(基于LDHs的水蒸发发电器件及制备方法，CN2017113877335)。对于炭材料来说，多种碳材料如炭黑、石墨烯、氧化石墨烯等被证明是自驱动水蒸发发电的良好材料，而碳材料表面的官能团化(即表面带电)是实现水蒸发发电的必要条件。然而由于碳材料本身局限性，现有研究只是局限于碳材料表面电荷种类的定性调控，如对氧化石墨烯表面官能团的定性调控(Carbon，2019，148：1)、碳纳米颗粒表面的定性调控(NatureNanotechnology，2017，12：317；NanoEnergy，2019，58：797；NanoEnergy，2019，60：52，专利比如生物质柚子皮衍生表面官能团层状碳材料的制备方法，CN2016100650865；一种富氧官能团碳/伊利石复合吸附剂材料及其制备方法，CN2016109015586；一类富含羰基、硫酮及硒砜官能基团的二维富碳材料制备方法及其应用，CN2017103145330；基于表面功能官能团多孔碳微球电极材料及其制备方法、其超级电容器以及制备方法，CN2013104603817。但是上述方法难以对碳材料表面电荷密度进行精确调控，从而不能达到对炭基水蒸发发电器件性能的精确调控。对水蒸发发电器件性能的精确调控是本专利技术的研究重点。
技术实现思路
LDHs是由两种或两种以上金属元素组成的具有层状晶体结构的氢氧化物。LDHs层片带结构正电荷，层间存在可交换阴离子。LDHs的基本构造单元称为单元晶层，它是金属-(氢)氧八面体，金属离子位于八面体的中心，OH-位于八面体的六个顶角，相邻八面体间通过共边相互联结形成二维延伸的配位八面体结构层，单元晶层通过面-面堆叠形成晶体颗粒。LDHs的化学组成通式为[MII1-xMIIIx(OH)2]x+[An-x/n]x-·mH2O，式中MII指二价金属阳离子，如Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Zn2+、Ca2+等；MIII指三价金属阳离子，如Al3+、Cr3+、Mn3+、Fe3+、Co3+等；An-指带有n个负电荷的阴离子，如Cl-、OH-、NO3-、CO32-、SO42-以及有机阴离子等；x是每摩尔LDHs中MIII的摩尔数；m是每摩尔LDHs中结晶水的摩尔数。二价和三价金属离子的不同配对组成了种类繁多的具有不同性能的层状双金属氢氧化物。不难发现，通过LDHs合成过程中的二价金属盐和三价金属盐的摩尔比，我们可以很容易的控制x。而x与LDHs的表面电荷密度之间有一个精确的计算公式，dc＝xe/a2sin60°(NewJournalofChemistry，2016，40：8364)，式中dc是LDHs的表面电荷密度，e是电子电量，a是晶格常数。因此，通过控制二价金属盐和三价金属盐的摩尔比，我们可以精确调控LDHs的表面电荷密度。本申请人已经授权的专利(基于LDHs的水蒸发发电器件及制备方法，CN2017113877335)申请的重点在于器件制备，且二价金属盐和三价金属盐是按照二价金属盐离子占三价金属盐离子的摩尔比为1-2的比例范围进行研究，并未发现如何对水蒸发发电器件的性能进行精确调控。申请人经过大量的研究证实，当二价金属离子(如Ni2+)和三价金属离子(如Al3+)的摩尔比大于9时，合成LDH的结构发生了变化，非常容易生成二价金属的氢氧化物，如Ni(OH)2，其XRD如图1所示。而当摩尔比小于3时，水蒸发发电器件的电压为0.5-1.5V，本申请专利所要求的二价金属离子和三价金属离子摩尔比为3-9范围内时，水蒸发发电器件的电压为1.15-9.55V，性能明显优于已经授权的专利(专利号：ZL201711387733.5)。据此，本专利技术的技术方案如下。本专利技术提供一种基于LDHs的水蒸发发电器件的性能调控方法，通过对LDHs表面电荷密度的精确调控，从而可以对发电器件的性能进行精确调控。本专利技术的技术解决方案是：基于LDHs的水蒸发发电器件的性能调控方法，其特征在于：具体包括以下步骤。a.制备具有不同表面电荷密度的LDHs固体粉末；b.将带有不同表面电荷密度LDHs固体粉末分别均匀分散在液体中，形成LDHs液体；c.将带有不同表面电荷密度的LDHs液体分别涂在装有极耳的基底上；d.烘干，使LDHs液体均匀成膜，形成带有不同表面电荷密度的水蒸发发电器件；e.对带有不同表面电荷密度的水蒸发发电器件进行电学性能测试。所述制备具有不同表面电荷密度的LDHs固体粉末依次按如下步骤进行：a.1配置含有10-3500mmol/L的二价金属盐和1-3500mmol/L的三价金属盐的水溶液；a.2将二价金属盐和三价金属盐按照二价金属盐离子占三价金属盐离子的摩尔比为3-9的比例混合成水溶液，然后分别与碱性物质在室温-300℃反应10-72h，分别生成沉淀；a.3将沉淀分别洗涤、干燥，得到具有不同表面电荷密度的LDHs固体粉末；所述二价金属盐的金属离子为Mg2+、Mn2+、Fe2+、Ni2+、Co2+、Zn2+或Ca2+；所述三价金属盐的金属离子为Al3+、Cr3+、Mn3+、Fe3+或Co3+；所述碱性物质为NaOH、KOH、尿素或六次甲基四胺。本专利技术利用LDHs二维层上二价金属离子可以被三价金属离子取代的结构特点，通过控制二价和三价金属离子的摩尔比，可以精确调控LDHs表面的电荷密度，从而对LDHs基水蒸发发电器件的性能进行精确调控。本专利技术突破了传统的炭基水蒸发发电器件的性能难以精确调控的科学难点，为自驱动可穿戴器件的性能调控奠定基础。研究还发现，现有技术所用涂层制备方法为室温自组装，存在着涂层脆弱，在水中易与基底脱附的问题，严重影响了器件稳定性，不利于水蒸发发电器件的正常工作。步骤c.将带有不同表面电荷密度的LDHs液体分别涂在装有极耳的基底上还进一步具体为：c1.将基底置于加热炉上加热到一定温度，基底可调(刚性或者柔性)，加热温度可调；c2.采用喷枪将LDHs液体喷涂到两电极之间的基底上，喷枪孔径、喷枪压力、喷枪角度、喷涂时间都可以调节。本专利技术利用喷涂技术来制备基于LDHs的水蒸发发电器件，可以解决现有的室温自组装方法中存在着的涂层脆弱，在水中易与基底脱附的问题。利用喷涂技术不但可以采用硬质的基底(如石英玻璃片等)，还可采用柔性的基底(如塑料片、薄膜或织物等)，为自驱动可穿戴器件的创制奠定基础。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于LDHs的水蒸发发电器件的性能调控方法，其特征在于，包括以下步骤：/na.制备具有不同表面电荷密度的LDHs固体粉末；/nb.将带有不同表面电荷密度LDHs固体粉末分别均匀分散在液体中，形成LDHs液体；/nc.将带有不同表面电荷密度的LDHs液体分别涂在装有极耳的基底上；/nd.烘干，使LDHs液体均匀成膜，形成带有不同表面电荷密度的水蒸发发电器件；/ne.对带有不同表面电荷密度的水蒸发发电器件进行电学性能测试。/n

【技术特征摘要】
1.基于LDHs的水蒸发发电器件的性能调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.制备具有不同表面电荷密度的LDHs固体粉末；
b.将带有不同表面电荷密度LDHs固体粉末分别均匀分散在液体中，形成LDHs液体；
c.将带有不同表面电荷密度的LDHs液体分别涂在装有极耳的基底上；
d.烘干，使LDHs液体均匀成膜，形成带有不同表面电荷密度的水蒸发发电器件；
e.对带有不同表面电荷密度的水蒸发发电器件进行电学性能测试。


2.根据权利要求1所述基于LDHs的水蒸发发电器件的性能调控方法，其特征在于，所述步骤a制备具有不同表面电荷密度的LDHs固体粉末依次按如下步骤进行：
a1.配置含有10～3500mmol/L的二价金属盐和1～3500mmol/L的三价金属盐的水溶液；
a2.将二价金属盐和三价金属盐按照二价金属盐离子占三价金属盐离子的摩尔比为3～9的比例混合成水溶液，然后分别与碱性物质在室温～300℃反应10～72h，分别生成沉淀；
a3.将沉淀分别洗涤、干燥，得到具有不同表面电荷密度的LDHs固体粉末。


3.根据权利要求2所述基于LDHs的水蒸发发电器件的性能调控方法，其特征在于，所述二价金属盐的金属离子为Mg2+、Mn2+、Fe2+、Ni2+、Co2+、Zn2+或Ca2+中的一种或多种；所述三价金...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲江英，高峰，田吉利，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44