【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种蚕丝基湿气发电机的制备方法及其应用,属于生物质功能材料。
技术介绍
1、湿气发电技术是一项能够将空气中的水的化学能转换为电能的绿色发电技术。湿气发电的一种策略是通过离子浓度梯度扩散，依赖于化学梯度结构或不对称吸湿性的构建，以驱动带电离子的定向扩散，从而在湿气发电机架构的两侧之间产生电势，输出稳定电流。
2、目前，湿气发电技术所用的材料成本高昂且无法自然降解，难以实现大规模生产和可持续发展。另外，发电材料的结构设计也存在问题，严重限制了发电效率。例如，大部分单层几何结构的湿气发电机需要外部提供定向的湿气流才能正常工作。而且，没有多孔微观结构的湿气发电机由于其水分子和载流子运输效率低，无法有效产生电能。
3、蚕茧是一种由丝素和丝胶蛋白组成的天然复合材料，丝胶蛋白孔隙度在梯度模式中的分布赋予茧结构一种自然梯度，表面的孔隙允许水分子和载流子的移动。目前，蚕丝已经被广泛应用于生物医药，电池隔膜等领域的研究中。通过对其进行合理的结构设计，开发一种可持续的、简单高效的湿气发电装置，这对于新型环保能源的开发和利用具有重要意义。
技术实现思路
1、有鉴于此，本申请提供一种蚕丝基湿气发电机，借助于天然蚕茧自然梯度结构，通过在丝素蛋白表面喷涂丝胶蛋白构筑梯度结构，并借此提高氢离子在内部的迁移，提高湿气发电效率，可作为微电子器件的电源或自供电的湿度传感器使用。
2、具体地，本申请是通过以下方案实现的：
3、一种蚕丝基湿气发电机，包括以下步骤
4、(1)蚕丝脱胶
5、将蚕丝样品洗净，在60-100℃的热水中脱胶30-50min，保留第一次脱胶废水；将热水脱胶后的蚕丝样品浸入碱液中，在80-100℃条件下第二次脱胶20-30min，洗净后得到脱胶蚕丝样品；
6、(2)制备丝素蛋白薄膜
7、将脱胶蚕丝样品浸入80.77-807.7g/l溴化锂的水溶液中，在20-80℃条件下反应1-8h，得到丝素蛋白溶液；将得到的丝素蛋白溶液装入透析袋中，在5-30℃下透析36-72h，再在0.1-10wt％聚乙二醇溶液中反向透析12-48h，然后高速离心，得到纯丝素蛋白溶液；将纯丝素蛋白溶液与0.5-5wt％聚氧化乙烯水溶液混合，通过静电纺丝得到丝素蛋白薄膜；
8、(3)制备丝胶蛋白溶液
9、将步骤(1)得到的第一次脱胶废水在≤-50℃中进行冷冻干燥36-72h，得到丝胶蛋白粉，并溶于去离子水中得到丝胶蛋白水溶液；
10、(4)制备蚕丝基湿气发电机
11、通过喷雾法将步骤(3)得到的丝胶蛋白溶液喷雾在步骤(2)得到的丝素蛋白薄膜上，干燥后，用两片带有孔洞的电极夹住并固定，即得到蚕丝基湿气发电机。
12、进一步的设置在于：
13、步骤(1)中：所述碱液是含有0.001-0.01mol/l无水碳酸钠的水溶液，待处理蚕丝样品与碱液的质量比为1:40～100，所述清洗是用去离子水清洗。
14、步骤(2)中，反应时间1-8h，温度为20-80℃。更优选的，所述反应温度为50-80℃，反应时间为1-5h。其原因是：溴化锂通过破坏丝素蛋白分子间氢键，从而导致溶解，该反应温度优选在50℃以上进行，在本方案所提供的反应氛围中，以50-80℃为较为理想的反应温度区间。另外，加热时间过短不会促进丝素蛋白的溶解，加热时间过长会导致丝素蛋白链变性凝固成凝胶状。综合因素考虑，反应时间为1-5h最为合适。
15、步骤(2)中，所述高速离心时间为15-45min，转速为8000-12000r/min。
16、步骤(2)中，所述丝素蛋白溶液:聚氧化乙烯＝1～2:1(v/v)。静电纺丝电压10-20kv，进料速率0.2-2ml/h。接收器和针之间的距离为10-20cm.调节纺丝时间以调控丝素蛋白薄膜的厚度范围为100-200μm。
17、步骤(3)中：所述丝胶蛋白溶液由丝胶蛋白与去离子水组成，且丝胶蛋白与去离子水的质量比为0.01～0.3：1。
18、步骤(4)中，所述喷雾法为通过空气压缩机雾化器，将丝胶蛋白溶液雾化为雾滴状喷涂在丝素蛋白薄膜的表面。
19、步骤(4)中，所述的电极选自金、银、铜、铁、镍、铂和导电碳中的任意一种或几种。所述电极的固定选自橡皮筋、棉线和导电胶中的任意一种或几种，进一步地，所述的电极为带孔洞的网状电极，带有孔洞能够让湿气渗透。
20、本专利技术还提供一种所述蚕丝基湿气发电机在微电子器件的电源或自供电的湿度传感器中应用。其中所述微电子器件包括电容器、led灯、计算器、温湿度计等；所述自供电的湿度传感器，即用于检测空气湿度，监测人体呼吸频率和深度、无接触式感应肢体运动、监测和量化植物蒸腾作用、漏气检测等。
21、本专利技术所述蚕丝可选自桑蚕、柞蚕、天蚕、柳蚕等的任一种，或桑蚕茧、柞蚕茧、天蚕茧、柳蚕茧中两种或两种以上的蚕茧。
22、相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：
23、(1)本专利技术发现，模仿天然蚕茧梯度结构的湿气发电机，相较于传统使用无机材料或合成高分子材料电压和电流增加了10倍，水吸收增加了5倍。通过孔隙率的梯度结构变化，形成“水分子-氢离子”迁移通道，这不仅增加了产品的透气性，还提高了其发电性能，如高容量，高强度和长循环寿命。
24、(2)此外，采用不对称的梯度结构有利于消除离子浓度极化的负面影响，从而优化离子富集和耗尽效应。采用对称网状电极有利于加强对空气中水分子的吸收，并提高电流输出的稳定性。
25、(3)本方法选用的原材料成本低，自然界储量丰富，具有生物相容性可生物降解，绿色环保；本方法的制作工艺符合节约资源、保护环境的要求；本方法制造的湿气发电机轻质高强，可根据使用场景的不同定制成不同大小、数量、面积的湿气发电机，可作为微电子器件的电源或自供电的湿度传感器使用。
26、为了更好地说明本专利技术的目的、技术方案和优点，下面将通过具体实施例对本专利技术作进一步说明。
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1.一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(1)中：所述碱液是含有0.001-0.01mol/L无水碳酸钠的水溶液，蚕丝样品与碱液的质量比为1:40～100。
3.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(2)中：蚕丝与溴化锂反应的温度为50-80℃，反应时间为1-5h。
4.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(2)中：所述高速离心时间为15-45min，转速为8000-12000r/min。
5.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(2)中：所述丝素蛋白溶液:聚氧化乙烯(V/V)＝1～2:1。
6.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(2)中：静电纺丝电压10-20kv，进料速率0.2-2ml/h，接收器和针之间的距离为10-20cm。
7.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(2)中：静电纺丝得到丝素蛋白薄膜厚度范围为100-
8.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(3)中：所述丝胶蛋白溶液由丝胶蛋白与去离子水组成，且丝胶蛋白与去离子水的质量比为0.01～0.3：1。
9.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(4)中：所述电极为带孔洞的网状电极，电极材料选自金、银、铜、铁、镍、铂和导电碳中的任意一种或几种。
10.一种权利要求1制备的蚕丝基湿气发电机在微电子器件的电源或自供电的湿度传感器中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(1)中：所述碱液是含有0.001-0.01mol/l无水碳酸钠的水溶液，蚕丝样品与碱液的质量比为1:40～100。
3.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(2)中：蚕丝与溴化锂反应的温度为50-80℃，反应时间为1-5h。
4.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(2)中：所述高速离心时间为15-45min，转速为8000-12000r/min。
5.根据权利要求1所述的一种蚕丝基湿气发电机，其特征在于，步骤(2)中：所述丝素蛋白溶液:聚氧化乙烯(v/v)＝1～2:1。
6.根据权利要求1所述的一种蚕丝基...
【专利技术属性】
技术研发人员：付飞亚，孙海训，王秉，苏淼，沈永淼，刘向东，
申请(专利权)人：浙江理工大学嵊州创新研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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