一种基于木基微流控芯片的小型金属-空气电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于木基微流控芯片的小型金属

【技术实现步骤摘要】
一种基于木基微流控芯片的小型金属
‑
空气电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及微流控芯片和电池
，具体涉及一种基于木基微流控芯片的小型金属
‑
空气电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着物联网时代的到来，市场对便携式电子设备的需求量逐年增加，尤其是在环境检测、生物医学诊断、药物治疗等与人们日常生活紧密相关的领域。而这些电子设备使用时往往需要电池供电。目前主流的小型电源为锂离子电池，但锂离子电池存在安全性差、一次性使用成本高、后处理程序复杂以及潜在环境污染等问题。因此，需要开发使用安全、环境友好、成本低廉的小型(一次性)电池。
[0003]微流控(Microfluidics)是一种精确控制微尺度(<1μm)流体所涉及的科学和技术。微流控体系是一种小型反应平台，具体表现为可以将反应物和化学反应过程集成在芯片大小的基底上，因此被称为芯片实验室(lab
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chip)。利用微流控技术，可以将电池放电过程中所需要的电极、催化材料、氧化还原物质以及电化学反应过程集成化，从而构建小型电池。在传统微流控体系中，供液体流动的微通道需要通过刻蚀硅或高分子有机硅化物来构建，且液体在微通道内的流动过程需要使用微泵进行驱动。
[0004]但硅基微通道较高的成本和复杂的刻蚀加工工艺，以及对微泵的依赖性导致现有微流控技术的成本高、体积大，这极大限制了现有微流控技术在小型(一次性)电池领域的应用。因此，发展成本低廉、结构灵活、使用方法简便的新型微流控体系，成为构筑有实际应用可能性的微流控小型电池的关键点。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种基于木基微流控芯片的小型金属
‑
空气电池及其制备方法，以解决现有微泵驱动的微流控电池中体统体积过大，以及硅基微通道的刻蚀加工工艺复杂且成本较高的问题。
[0006]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0007]一种木基微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)木基微通道制备：切割木材形成具有榫卯结构的木块，以亚硫酸钠和氢氧化钠混合溶液对所述木块进行加热处理，去离子水清洗，干燥，制得木基微通道；
[0009](2)木基光热蒸发器制备：切割木材形成带有卯结构的长方体木块，对所述长方体木块的一面喷涂三氯化铁溶液，干燥，并对该面进行加热处理，使其表面碳化，制得木基光热蒸发器；
[0010](3)木基微流控芯片制备：将步骤(1)制得的木基微通道和步骤(2)制得的木基光热蒸发器通过榫卯结构连接，制得。
[0011]进一步地，步骤(1)和步骤(2)中的木材，均为松木、杉木、云杉木、轻木、椴木、橡
木、桦木和白杨木中的任意一种。
[0012]进一步地，步骤(1)中木块长为3～20mm，宽为5～22mm，高为10～30mm。
[0013]进一步地，步骤(2)中木基光热蒸发器的面积为1～30cm2。
[0014]进一步地，步骤(2)中三氯化铁水溶液的浓度为0.2～2mol
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–1。
[0015]进一步地，步骤(2)中喷涂三氯化铁溶液的量为0.5～15mL
[0016]进一步地，步骤(2)中加热温度为400～800℃，时间为0.1～10min。
[0017]采用上述方法制备方法制得的木基微流控芯片。
[0018]一种基于木基微流控芯片的小型金属
‑
空气电池，包括上述木基微流控芯片。
[0019]上述基于木基微流控芯片的小型金属
‑
空气电池，包括以下步骤：
[0020](1)自支撑阴极电极制备：将木材切割为长方体木块，在垂直于木材生长方向进行打孔，形成一组孔阵列，用亚硫酸钠和氢氧化钠的混合溶液对木块进行加热处理，去离子水清洗，干燥，将处理后的木块浸泡在含有贵金属盐的水溶液中或含有过渡金属盐和含氮有机物的混合溶液中，干燥，惰性气氛中热解，制得自支撑阴极电极；
[0021](2)金属阳极电极制备：切割多孔金属泡沫为长方体，作为金属阳极电极；
[0022](3)基于木基微流控芯片的小型金属
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空气电池制备：将上述木基微流控芯片，步骤(1)制得的自支撑阴极电极和步骤(2)制得的金属阳极电极按照榫卯结构拼装，制得。
[0023]进一步地，步骤(1)中长方体木块的长为10～50mm，宽为4～20mm，高为4～20mm。
[0024]进一步地，步骤(1)中孔的孔径为0.5～1.5mm。
[0025]进一步地，步骤(1)中木材为松木、杉木、轻木、椴木、橡木和桦木中的任意一种。
[0026]进一步地，步骤(1)中贵金属盐为硝酸钯、氯化钯、氯铂酸和氯铂酸钾中的任意一种，浓度为0.5～5mmol
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L
–1。
[0027]进一步地，步骤(1)中过渡金属盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸铜、三氯化铁、氯化钴、氯化铜、硫酸铁、硫酸钴和硫酸铜中的至少一种，浓度为0.02～0.5mol
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–1。
[0028]进一步地，步骤(1)中含氮有机物为尿素、双氰胺和邻苯二甲腈中的至少一种，浓度为0.08～2.0mol
·
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–1。
[0029]进一步地，步骤(1)中混合溶液的溶剂为水、乙醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的任意一种。
[0030]进一步地，步骤(1)中浸泡时间为4～24h。
[0031]进一步地，步骤(1)中热解温度为650～1100℃。
[0032]进一步地，步骤(2)中多孔金属泡沫为三维多孔铝泡沫或三维多孔锌泡沫。
[0033]进一步地，步骤(2)中长方体的长为3～20mm，宽为2～10mm，高为2～10mm。
[0034]本专利技术具有以下有益效果：
[0035](1)本专利技术相对于常见的基于毛细作用力的微流控体系，木基微流控芯片为三维立体结构，由木基微通道和木基光热蒸发器通过榫卯结构拼接而成，液体在木基微流控芯片中依靠毛细作用力自发流动，从而避免了传统微流控体系中微泵的使用，结合光热蒸发过程，可达到利用太阳能驱动该流动过程持续稳定进行的目的。
[0036](2)本专利技术利用木基微流控芯片这一三维微流控体系，设计得到的小型金属
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空气电池，其电极反应过程中反应物与电极的接触面积大，同时传质效率高，因此电池的功率密度高。
[0037](3)本专利技术基于木基微流控芯片中液体可以长时间持续流动这一特点，制得的基于木基微流控芯片的小型金属
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空气电池放电稳定持久，能量密度高，适合给小型化电子设备进行长时间供电，结构灵活，可根据实际需求对其输出电压和功率进行调变。
[0038](4)本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种木基微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)木基微通道制备：切割木材形成具有榫卯结构的木块，以亚硫酸钠和氢氧化钠混合溶液对所述木块进行加热处理，去离子水清洗，干燥，制得木基微通道；(2)木基光热蒸发器制备：切割木材形成带有卯结构的长方体木块，对所述长方体木块的一面喷涂三氯化铁溶液，干燥，并对该面进行加热处理，使其表面碳化，制得木基光热蒸发器；(3)木基微流控芯片制备：将步骤(1)制得的木基微通道和步骤(2)制得的木基光热蒸发器通过榫卯结构连接，制得。2.根据权利要求1所述的木基微流控芯片的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)所述的木材均为松木、杉木、云杉木、轻木、椴木、橡木、桦木和白杨木中的任意一种；步骤(1)所述木块长为3～20mm，宽为5～22mm，高为10～30mm。3.根据权利要求1所述的木基微流控芯片的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述木基光热蒸发器的面积为1～30cm2；所述三氯化铁水溶液的浓度为0.2～2mol
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‑1；喷涂三氯化铁溶液的量为0.5～15mL，所述加热温度为400～800℃，时间为0.1～10min。4.采用权利要求1～3任一项所述制备方法制得的木基微流控芯片。5.一种基于木基微流控芯片的小型金属
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空气电池，其特征在于，包括权利要求4所述的木基微流控芯片。6.权利要求5所述基于木基微流控芯片的小型金属
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空气电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)自支撑阴极电极制备：将木材切割为长方体木块，在垂直于木材生长方向进行打孔，形成一组孔阵列，用亚硫酸钠和氢氧化钠的混合溶液对木块进行加热处理，去离子水清洗，干燥，将处理后的木块浸泡在含有贵金属盐的水溶液中或含有过渡金属盐和含氮有机物的混合溶液中，干燥，惰性气氛中热解，制得自支撑阴极电极；(2)金属阳极电极制备：切割多孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈浏鎏，王伟，张贵荣，梅东海，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：