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一种基于三维结构的织物水伏发电器装置及其制备方法
申请号	CN202410007752.4	申请日	2024-01-03	公开(公告)号	CN117937983A	公开(公告)日	2024-04-26
申请人	湖北工程学院;			发明人	杨辉宇; 程晓华; 赵连港; 檀正飞; 刘海; 龚春丽;
摘要	本发明具体公开了一种基于三维结构的织物水伏发电器装置及其制备方法，属于水伏发电技术领域。本发明方法为：(1)将金属条编织成三维金属框架；(2)依次用有机试剂和去离子水超声清洗织物，随后取出干燥，将干燥后的织物放入黑色导电分散质溶液中加热搅拌，随后取出干燥，然后将织物切成长条；(3)将步骤(2)中的织物布条通过传统制篮工艺的编织方法编织在步骤(1)中的三维金属框架上面，随后取编织好的三维金属框架一个或多个采取串联方式按开口朝上且部分浸没方式放入盐溶液中，即得。本发明制备的基于三维结构的织物水伏三维发电器装置具有高电压输出、响应速度快、发电稳定的优点，在稳定发电的同时能够净化污水，适用范围更广。
权利要求	1.一种基于三维结构的织物水伏发电器装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)将金属条编织成三维金属框架； (2)织物预处理：依次用有机试剂和去离子水超声清洗织物，随后取出干燥，将干燥后的织物放入黑色导电分散质溶液中加热搅拌，随后取出干燥，然后将织物切成长条； (3)制三维发电器装置：将步骤(2)中的织物布条通过传统制篮工艺的编织方法编织在步骤(1)中的三维金属框架上面，随后取编织好的三维金属框架一个或多个采取串联方式按开口朝上且部分浸没方式放入盐溶液中，得到具有发电能力的基于三维结构的织物水伏三维发电器装置。 2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的金属为银、铜、铝、锌中的一种或多种；所述的三维金属框架为圆锥形或多棱锥。 3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的织物为棉织物、蚕丝织物、亲水纤维中的一种或多种；所述黑色导电分散质为导电炭黑、石墨烯、Mxene中的一种或多种，优选为Ti3C2Tx‑Mxene，更优选为少层Ti3C2Tx‑Mxene。 4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将织物切成1～2cm宽的长条。 5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述织物、黑色导电分散质的质量比为5:1‑4；所述黑色导电分散质溶液中黑色导电分散质和去离子水的的用量关系为(2‑8)g:(80‑150)mL。 6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述织物、黑色导电分散质的质量比为2:1；所述黑色导电分散质溶液中黑色导电分散质和去离子水的的用量关系为1g:20mL。 7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，加热温度为55‑65℃，加热‑1 时间为45‑60min，搅拌速度为500‑600r·min ；干燥温度为50‑60℃，干燥时间为5‑6h。 8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的有机试剂为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或多种。 9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，编织方式为钩针编织、斜纹编织、圆编织中的一种或多种。 10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，盐溶液中的溶质包括氯化钠、氯化钙、氯化铝、氯化钾中的一种或多种。
说明书全文	一种基于三维结构的织物水伏发电器装置及其制备方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种基于三维结构的织物水伏发电器装置及其制备方法，属于水伏发电技术领域。背景技术 [0002] 随着国家的建设发展加快，电能成为发展路上必不可少的能源，但是传统发电技术不仅能耗高而且会带来很大的环境污染，而能源需求主要由储量有限的化石燃料满足，其燃烧会排放出大量有害物质和温室气体，严重地影响着人类的生存环境。由于需要满足规模和财富都在增长的全球人口日益增加的能源需求，同时应对实现碳排放目标的迫切需要，扩大经济上可行的清洁和可持续能源的范围是极其可取的。水利发电、风力发电、光伏发电逐步成为能源供给的主流，但是受地域环境限制，目前传统的清洁能源难以满足巨大的能源消耗需求。随着人类社会的不断进步，人类对能源的需求越来越大。在巨大的能源消耗需求下，开发一种新型的发电技术来缓解能源危机具有重要意义。 [0003] 水伏发电为开发清洁能源指明了一个新途径。水在地表有丰富的储量，而且是极易流动和蒸发的液体。水存储的巨大能量通过流动和蒸发进行释放。水伏发电就是利用纳米光热材料，高效将太阳能进行光热转化，使水形成水蒸气驱动纳米发电机，从而将蒸发能转化为电能。“水伏发电”的机理已经明确，水的各种流动、蒸发会直接产生电能，利用这一机理可以制备各类大型、小型、柔性的“水伏发电”装置。但受转化材料的限制，目前“水伏发电”器件只能是低功率密度的小型发电机。制造工艺复杂，成本高，耐用性低等问题限制了其应用。发明内容 [0004] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于三维结构的织物水伏发电器装置及其制备方法。该方法对于节能降耗以及可再生资源的开发利用具有重要的意义，在实现良好发电的同时，具有制备方法简单、耐用性高和成本低等特点。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案： [0006] 一种基于三维结构的织物水伏发电器装置的制备方法，包括以下步骤： [0007] (1)将金属条编织成三维金属框架； [0008] (2)织物预处理：依次用有机试剂和去离子水超声清洗织物，随后取出干燥，将干燥后的织物放入黑色导电分散质溶液中加热搅拌，随后取出干燥，然后将织物切成长条； [0009] (3)制三维发电器装置：将步骤(2)中的织物布条通过传统制篮工艺的编织方法编织在步骤(1)中的三维金属框架上面(圆锥底部开口不编织)，随后取编织好的三维金属框架一个或多个采取串联方式按开口朝上且部分浸没方式放入盐溶液中(使三维金属框架的上下湿度不对称)，得到具有发电能力的基于三维结构的织物水伏三维发电器装置。 [0010] 进一步的，所述步骤(1)中，所述的三维金属框架为圆锥形或多棱锥。 [0011] 进一步的，所述步骤(1)中，所述的金属为银、铜、铝、锌中的一种或多种；优选为银。 [0012] 进一步的，所述步骤(2)中，所述的织物为棉织物、蚕丝织物、亲水纤维中的一种或多种。 [0013] 进一步的，所述步骤(2)中，所述的有机试剂为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或多种；优选为乙醇。 [0014] 进一步的，所述步骤(2)中，黑色导电分散质可以为导电炭黑、石墨烯、Mxene中的一种或多种；优选为Mxene碳化钛(Ti3C2Tx‑Mxene)，更优选为少层Ti3C2Tx‑Mxene。 [0015] 进一步的，所述步骤(2)中，所述织物、黑色导电分散质的质量比为5:1‑4；优选为2:1。所述黑色导电分散质溶液中黑色导电分散质和去离子水的的用量关系为(2‑8)g:(80‑ 150)mL；优选为5g:100mL。 [0016] 进一步的，所述步骤(2)中，加热温度为55‑65℃，加热时间为45‑60min，搅拌速度‑1为500‑600r·min 。 [0017] 进一步的，所述步骤(2)中，干燥温度为50‑60℃，干燥时间为5‑6h。 [0018] 进一步的，所述步骤(2)中，将织物切成1～2cm宽的长条。 [0019] 进一步的，所述步骤(3)中，编织方式为钩针编织、斜纹编织、圆编织中的一种或多种；优选为钩针编织。 [0020] 进一步的，所述步骤(3)中，盐溶液中的溶质包括氯化钠、氯化钙、氯化铝、氯化钾中的一种或多种。 [0021] 与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果： [0022] (1)本发明制备的水伏三维发电器能够依靠织物表面毛细作用运输离子，依靠自身上下湿度不对称即可发电，不需要额外的能量输出，发电方式高度自发，受环境限制少，具备高的能量输出，并且能够长时间维持，适用于多种应用场景。 [0023] (2)本发明的三维立体结构发电器与以往的湿气发电器结构不同，三维立体结构的能量转化密度大于二维，具有大的表面积/体积比，提高了输出电压的能力的同时也提高了蒸发能力，并且失水循环稳定性较高，在可重复稳定进行光热转换的同时利用太阳能驱动产生蒸汽发电。 [0024] (3)本发明制备的水伏三维发电器兼具湿气发电与净化水的效果，在稳定发电的同时能够净化污水，适用范围更广，受环境限制作用小，有利于环境友好的发展。 [0025] (4)本发明的制备方法工艺简单、操作方便、生产效率高、能耗低，可以大规模、大批量生产，具有极大的应用前景。附图说明 [0026] 图1A：实施例1制备的“Mxene三维发电器”的实物图。 [0027] 图1B：实施例1制备的“Mxene三维发电器”的模型图。 [0028] 图2A：实施例1制备的“Mxene三维发电器”、对比例1制备的“Raw三维发电器”的V‑t图。 [0029] 图2B：实施例1制备的“Mxene三维发电器”在盐水(Brine)和自来水(Tap Water)的不同条件下所产生V‑t图。图3：实施例1制备的“Mxene三维发电器”、对比例1制备的“Raw三维发电器”在相对湿度55％条件下模拟太阳光下的温度曲线图。 [0030] 图4：实施例1制备的“Mxene三维发电器”、对比例1制备的“Raw三维发电器”的太阳光吸收光谱图。 [0031] 图5A：对比例1制备的“Raw三维发电器”的失水重量循环稳定性曲线图。 [0032] 图5B：实施例1制备的“Mxene三维发电器”的失水重量循环稳定性曲线图。 [0033] 图6：实施例1制备的“Mxene三维发电器”处理不同的废水前后的吸光度曲线图。 [0034] 图7：实施例1制备的“Mxene三维发电器”在相对湿度为55％的条件下由氙灯模拟1.0太阳光照射下温度随时间变化的循环稳定性图。具体实施方式 [0035] 下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细描述。 [0036] 以下各实施例中，所用纺织物来自于武汉高强纺织场，所用的金属来自于世腾金属制品有限公司，所用的药品来自于国药集团有限公司，所用的导电材料来自于南京先丰纳米材料科技有限公司。 [0037] 以下实施例及对比例中所用的Mxene为单层碳化钛Ti3C2Tx，2μm‑5μm，纯度≧99.9％，来自武汉欣申试化工科技有限公司。 [0038] 实施例1一种基于三维结构的织物水伏发电器装置的制备方法 [0039] 选用8根25cm长的铜条作为基底材料，将其编织成高度为15cm，底面圆半径为3cm的圆锥形的三维金属框架。 [0040] 将10g白色棉布放入无水乙醇中超声清洗30min，然后再将棉布放入去离子水中超声清洗30min，随后取出放在烘箱中干燥，烘箱温度为50℃，时间为3h。然后将5g的Mxene分散在100ml去离子水中，将干燥好的棉布放入Mxene分散液中，然后在55℃的条件下采用磁‑1力搅拌器以500r·min 转速搅拌45min，随后取出放入烘箱中干燥，烘箱温度为55℃，时间为3h，将干燥好的棉布切成宽度为1cm，长度为15cm的长条。然后将附着了Mxene的棉布条按照钩针编织的方式编织在圆锥形的三维金属框架上(圆锥形锥底开口不封底)，随后将编织好的三维金属框架(记为“Mxene三维发电器”)按开口朝上且部分浸没方式放入氯化钠溶液中，得到具有发电能力的基于三维结构的织物水伏发电器装置。 [0041] 图1A展示了实施例1制备的“Mxene三维发电器”的实物图。图1B展示了实施例1制备的“Mxene三维发电器”的模型图。 [0042] 对比例1一种基于三维结构的织物水伏发电器装置的制备方法 [0043] 选用8根25cm长的铜条作为基底材料，将其编织成高度为15cm，底面圆半径为3cm的圆锥形的三维金属框架。将10g白色棉布放入无水乙醇中超声清洗30min，然后再将棉布放入去离子水中超声清洗30min，随后取出放在烘箱中干燥，烘箱温度为50℃，时间为3h。将干燥好的棉布切成宽度为1cm，长度为15cm的长条。然后将棉布条按照钩针编织的方式编织在圆锥形的三维金属框架上(圆锥形锥底开口不封底)，随后将编织好的三维金属框架(记为“Raw三维发电器”)按开口朝上且部分浸没方式放入氯化钠溶液中，得到具有发电能力的基于三维结构的织物水伏发电器装置。 [0044] 实验例1开路电压测试 [0045] 测试对象：实施例1制备的“Mxene三维发电器”与对比例1制备的“Raw三维发电器”。 [0046] 测试步骤：将导线分别夹在三维发电器的底部和顶部未编织的金属框架位置，用于测试三维发电器两端的电压，取250mL烧杯，盛装150mL 6.50mol/L的氯化钠溶液，将三维发电器开口朝上，锥尖朝下且下端约5cm浸泡在前述6.50mol/L的氯化钠溶液中，在相对湿度为55％，实时温度为36℃的条件下进行电压测试。用电压表(75mV/75V DCV)来记录实时电压。同时，作为对照，将实施例1制备的“Mxene三维发电器”按相同步骤置于自来水中，在相对湿度为55％，实时温度为36℃的条件下进行电压测试。 [0047] 图2A展示了实施例1制备的“Mxene三维发电器”、对比例1制备的“Raw三维发电器”的V‑t图。由图可以看出：实施例1制备的“Mxene三维发电器”在1min后即可产生0.67V的稳定电压；对比例1制备的“Raw三维发电器”在1.5min后产生0.23V的电压，并且电压状态不稳定。实施例1制备的“Mxene三维发电器”具有高电压输出、响应速度快、发电稳定的优良特点，能用于水伏发电。 [0048] 图2B展示了实施例1制备的“Mxene三维发电器”在盐水(Brine)和自来水(Tap Water)的不同条件下所产生V‑t图。由图可以表明“Mxene三维发电器”在不同的溶液中的响应不同，输出电压可控。 [0049] 实验例2热电偶测试： [0050] 在“Mxene三维发电器”与“Raw三维发电器”织物的下方(圆锥的中间部位，参照图1B“Mxene三维发电器”的模型图)分别放置k型热电偶传感器，用于测试三维发电器的温度，采用两通道温度记录仪(TA612C)来记录实时温度，用锡纸包裹住空心纸箱上表面，随后在纸箱的表面切割出两个直径略大于发电器的圆圈，将发电器放在圆圈里面用来屏蔽周围环境辐射，发电器的上表面与纸箱的上表面处在一个平面，为了屏蔽热对流影响，在发电器的上方覆盖率一层聚乙烯薄膜。发电器正上方20cm的模拟阳光由一盏氙灯(CELHXF300,Education Au‑light)提供，将锥体的开口朝上放置，该氙灯垂直照射锥体的表面，光强为 2 1kW/m。 [0051] 图3展示了实施例1制备的“Mxene三维发电器”、对比例1制备的“Raw三维发电器”在相对湿度55％条件下模拟太阳光下的温度曲线图。从图可以看出：实施例1制备的“Mxene三维发电器”(Mxene)的温度大于对比例1制备的“Raw三维发电器”(Raw)，这说明“Mxene三维发电器”对于温度的响应能力更强，光热蒸发速率更快。 [0052] 实验例3 太阳辐射吸收测试 [0053] 用UV‑3600plus紫外可见近红外光谱仪测试三维发电器的太阳光吸收光谱曲线。 [0054] 图4展示了实施例1制备的“Mxene三维发电器”、对比例1制备的“Raw三维发电器”的太阳光吸收光谱图。可以看出：实施例1制备的“Mxene三维发电器”(Mxene‑Cotton Faber Fabric)在整个太阳光谱中吸收了高达90％的光，其吸光效果远远高于对比例1制备的“Raw三维发电器”(Cotton Faber Fabric)这说明实施例1制备的发电器吸热效果更好，光热转化效率更高。 [0055] 实验例4失水循环效率测试 [0056] 测试对象：实施例1制备的“Mxene三维发电器”与对比例1制备的“Raw三维发电器”。 [0057] 测试步骤：取250ml烧杯，盛装150ml自来水，将三维发电器开口朝上，锥尖朝下且下端约5cm浸泡在水中，再将烧杯放置于一洁净的水槽(15cm×15cm，高5cm)上后，一起放在电子天平上，然后在烧杯上方分别罩上一个圆柱形(直径12cm，高18cm)玻璃罩，与烧杯底下水槽构成封闭体系。玻璃罩上方20cm的模拟阳光由一盏氙灯(CELHXF300,Education Au‑2 light)提供，该氙灯垂直照射锥体的内表面，光强为1kW/m ，利用电子天平(Sartorius,SQP,QUINTIX224‑1CN)监测烧杯中的水随时间变化的质量变化。 [0058] 图5A展示了对比例1制备的“Raw三维发电器”的失水重量循环稳定性曲线图。图5B展示了实施例1制备的“Mxene三维发电器”的失水重量循环稳定性曲线图。可以看出：在同样的光照强度下，“Mxene三维发电器”相对于“Raw三维发电器”具有更高的失水率，且“Mxene三维发电器”能在多个开关循环中保持着相似的失水效率，说明“Mxene三维发电器”具有优异的太阳能驱动模式下产生蒸汽的耐久性和稳定性。 [0059] 实验例5净水效果测试 [0060] 测试对象：实施例1制备的“Mxene三维发电器”。 [0061] 测试步骤：取四个250ml烧杯，分别配制150mL 5mg/L的刚果红、柠檬黄、甲基蓝和孔雀绿溶液，作为模拟废水。并用UV‑2600紫外分光光度计(Shimadzu)测试各模拟废水的吸光度；然后将三维发电器开口朝上，锥尖朝下且下端约5cm浸泡在前述四个盛装有模拟废水的烧杯中，再将烧杯放置于一洁净的水槽(15cm×15cm，高5cm)上后，一起放在电子天平上，然后在烧杯上方分别罩上一个圆柱形(直径12cm，高18cm)玻璃罩，与烧杯底下水槽构成封闭体系。玻璃罩上方20cm的模拟阳光由一盏氙灯(CELHXF300,Education Au‑light)提供，2 该氙灯垂直照射锥体的表面，光强为1kW/m ，60min后，收集玻璃罩上的水珠，再用UV‑2600紫外分光光度计(Shimadzu)测试其吸光度。 [0062] 图6展示了实施例1制备的“Mxene三维发电器”处理不同的废水前后的吸光度曲线图。净化前，浓度分别为5mg/L的刚果红、柠檬黄、甲基蓝和孔雀绿溶液在可见光区均具有一定的吸光度，经过“Mxene三维发电器”净化之后的溶液的吸光度曲线均为0，说明实施例1制备的“Mxene三维发电器”具有优异的净水效果。 [0063] 实验例6失水循环稳定测试 [0064] 测试对象：实施例1制备的“Mxene三维发电器”。 [0065] 测试步骤：在“Mxene三维发电器”织物的下方(圆锥的中间部位，参照图1B“Mxene三维发电器”的模型图)分别放置k型热电偶传感器，用于测试三维发电器的温度，采用两通道温度记录仪(TA612C)来记录实时温度，用锡纸包裹住空心纸箱上表面，随后在纸箱的表面，割出两个直径略大于发电器的圆圈，将发电器放在圆圈里面用来屏蔽周围环境辐射，发电器的上表面与纸箱的上表面处在一个平面，为了屏蔽热对流影响，在发电器的上方覆盖率一层聚乙烯薄膜。模拟阳光由一盏氙灯(CELHXF300,Education Au‑light)提供，将锥体2 的开口朝上放置，该氙灯垂直照射锥体的内表面，光强为1kW/m，放置在三维发电器正上方的20cm处，当温度稳定上升后开始记录，在氙灯下方10cm处放一个挡板，每隔一个小时移动挡板挡住氙灯5min，重复操作，记录实时温度。 [0066] 图7展示了实施例1制备的“Mxene三维发电器”在太阳照射下温度随时间变化的循环稳定性，用挡板经过多次遮蔽模拟太阳光照不稳定的情况来测量“Mxene三维发电器”响应温度灵敏性的能力，结果证明了“Mxene三维发电器”可重复稳定的光热转换和对光照反应能力强的优点。 [0067] 上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的范围限制。本发明的保护范围应以权利要求书记载的技术方案，包括权利要求书记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

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