一种Janus水伏发电材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种Janus水伏发电材料，其采用“还原

【技术实现步骤摘要】
一种Janus水伏发电材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及新能源材料
，具体涉及一种Janus水伏发电材料，该材料的制备方法，以及该材料在水伏发电器件中的应用。

技术介绍

[0002]随着传统化石能源的日渐枯竭及其产生的环境污染，不断开发新的可再生能源符合可持续发展战略思想和生态文明建设，对于应对未来的能源危机、环境危机和发展危机有着重要的研究价值和意义。同时，面对碳达峰、碳中和目标，更需要提高能源效率，构建以新能源为主体的新型电力系统。水伏发电材料作为一种新兴的能源材料，能够将低品位环境热能自发转化为高品位电能，具有发电驱动方式简单、无额外部件、无污染等诸多优点，是国内外研究的热点。
[0003]其中，基于湿气诱导的水伏发电材料得到了广泛的关注，其发电原理为潮湿空气与纳米材料接触时的化学势能向电势能的转化。根据实现湿气发电的两个必要条件，即材料表面可产生自由移动离子的功能官能团与材料内部的离子浓度差，目前主流的制备策略主要有两类。第一类是制备成分均一的水伏发电材料，这种技术的优点是制备方法相对简单，但存在以下缺点：1、由于材料内部成分均一，因此实际使用过程中需要定向的湿度扩散，操作难度大，使用场景受限；2、在持续的湿度环境下，材料内部的浓度差会很快消失，难以长期使用。第二类策略则是改变材料内部组成，使其自然存在官能团浓度梯度，这种技术的优点是在湿度均一的环境中便可以持续发电，但存在以下缺点：1、目前构建浓度梯度的制备方法相对复杂，例如电化学极化技术、等离子体处理技术、激光修饰还原技术等；2、所用的材料成本昂贵，大多为氧化石墨烯等无机材料或Nafion等高分子材料。上述缺点限制了该类材料的应用。
[0004]因此，亟需发展一种制备方法简单，成本低，可以持续进行湿气诱导水伏发电的材料制备策略，以提高材料的发电性能与稳定性，扩展应用领域，为其进一步实现实际应用奠定基础。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种Janus水伏发电材料及其制备方法。本专利技术所述方法以碳材料为原料，结合温和的化学还原方法和简易的冻干方法，通过冷压的方式直接制备出上下组分不同的“A and B”型Janus水伏发电材料。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0008]本专利技术涉及一种Janus水伏发电材料，所述材料通过将氧化性多孔碳材料与化学还原后的氧化性多孔碳材料，即还原性多孔碳材料叠放后压片得到。
[0009]优选地，所述氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料的质量比为(1～10):(1～10)。
[0010]本专利技术还涉及所述Janus水伏发电材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0011](1)制备碳材料分散液
[0012]将氧化碳材料超声分散在水中，得到碳材料分散液；
[0013]优选地，所述氧化碳材料为氧化石墨粉末或氧化石墨烯。
[0014]优选地，所述碳材料分散液中，氧化碳材料的质量浓度为2～5mg/mL。
[0015](2)化学还原碳材料分散液
[0016]将所述碳材料分散液分为A和B两部分，搅拌条件下向B部分碳材料分散液中加入盐酸多巴胺和三羟甲基氨基甲烷，得到还原碳材料分散液；
[0017]其中，盐酸多巴胺作为还原剂，在自聚合的过程中可以将氧化碳材料进行化学还原。三羟甲基氨基甲烷作为缓冲溶液，能够提供多巴胺聚合所需的反应环境，保证多巴胺的自聚合。
[0018]优选地，所述A部分与B部分的体积比为(1～10):(1～10)。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，将盐酸多巴胺缓慢加入搅拌中的B部分碳材料分散液中，再向分散液中滴加三羟甲基氨基甲烷水溶液，搅拌均匀后将分散液静置，得到还原碳材料分散液。
[0020]优选地，所述盐酸多巴胺在B部分碳材料分散液中的质量浓度为0.5～1.5mg/mL，所述三羟甲基氨基甲烷在B部分碳材料分散液中的质量浓度为5～10mg/mL。
[0021]所述多巴胺还原方法仅为实施例中的一种，其他化学还原方式如氨水还原、VC还原、气体还原等也在本专利技术的保护范围内。
[0022](3)冷冻干燥分散液
[0023]将所述A部分碳材料分散液与B部分制备得到的还原碳材料分散液分别进行冻干，得到氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料；
[0024]优选地，所述冻干在冷冻干燥机中进行，冻干温度为
‑
50℃，时间为40～50h。其中A部分碳材料分散液冻干后得到氧化性多孔碳材料，还原碳材料分散液冻干后得到还原性多孔碳材料。
[0025](4)冷压制备Janus水伏发电材料
[0026]将所述氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料叠放进行压片，得到所述Janus水伏发电材料。
[0027]优选地，所述压片在压片机中进行，施加的压力为30～60MPa，时间为10～30s。
[0028]本专利技术还涉及所述Janus水伏发电材料在水伏发电器件中的应用。其具有稳定的输出电压，可以在小型自供电器件中使用。
[0029]本专利技术的有益效果：
[0030]本专利技术提供了一种Janus水伏发电材料的制备方法，其采用“还原
‑
冻干
‑
压片”三步法，首先配制碳材料分散液，通过多巴胺将部分分散液进行化学还原，另一部分碳材料分散液则不做处理，之后分别在冷冻干燥机中进行冻干，最后将两种碳材料叠放后压片得到Janus水伏发电材料。本专利技术以成本低的碳材料(如氧化石墨)为原材料，减少了制备成本；采用温和的化学还原方式，避免了复杂的制备手段；压片法制备出的材料本身具有官能团浓度梯度，解决了难以实现持续发电的问题。
[0031]本专利技术具有材料与设备成本低、流程简易等诸多优点，可以实现湿气诱导水伏发
电材料的批量化制备。最终得到的水伏发电材料不仅具有很高的输出电压(0.3V～0.5V)，还可以长时稳定输出。更重要的是，后续通过简单的电极引线制备与阵列化集成，便可以进一步提升发电能力，从而实现对小功率器件的驱动。因此，本专利技术将进一步推动水伏发电材料领域的实际应用。
附图说明
[0032]图1为本专利技术提供Janus水伏发电材料的制备流程图；
[0033]图2为本专利技术实施例1所述Janus水伏发电材料的数码照片；
[0034]图3为本专利技术实施例1所述Janus水伏发电材料的湿气发电性能图；
[0035]图4为本专利技术实施例1所述Janus水伏发电材料的长时供电测试图；
[0036]图5为本专利技术实施例1所述Janus水伏发电材料的长呼气
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吸气监测；
[0037]图6为本专利技术实施例1所述Janus水伏发电材料串联后的发电性能与自供电应用图。
具体实施方式
[0038]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术的技术方案进行详细的描述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Janus水伏发电材料，其特征在于，所述材料通过将氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料叠放后压片得到。2.根据权利要求1所述的Janus水伏发电材料，其特征在于，所述氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料的质量比为(1～10):(1～10)。3.根据权利要求1或2所述Janus水伏发电材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)制备碳材料分散液：将氧化碳材料超声分散在水中，得到碳材料分散液；(2)化学还原碳材料分散液：将所述碳材料分散液分为A和B两部分，搅拌条件下向B部分碳材料分散液中加入盐酸多巴胺和三羟甲基氨基甲烷，得到还原碳材料分散液；(3)冷冻干燥分散液：将所述A部分碳材料分散液与B部分制备得到的还原碳材料分散液分别进行冻干，得到氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料；(4)冷压制备Janus水伏发电材料：将所述氧化性多孔碳材料与还原性多孔碳材料叠放进行压片，得到所述Janus水伏发电材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氧化碳材料为氧化石...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓元，张玮峰，王荦敏，严跃冬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学杭州创新研究院，
类型：发明
国别省市：