一种基于碳量子点修饰的复合导电薄膜的太阳能响应波浪能转化装置及其制备方法和应用

摘要

本发明提供了一种基于碳量子点修饰的复合导电薄膜的太阳光响应波浪能转化装置及其制备方法和应用。本发明具体是将氧化石墨烯、碳黑和碳纳米管与水性聚氨酯涂料混合均匀，再与海洋多糖转化的碳量子点进一步分散，将混合均匀的分散液涂覆在基体上，制得碳量子点掺杂的碳黑/氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯复合导电薄膜，进而组装成太阳光响应波浪能转化装置。本发明充分利用了太阳光照条件下碳量子点释放的激发电子促进海水与复合导电薄膜的界面电荷传输过程，输出并增强了电流和电压脉冲信号。本发明所述的发电装置制备方法简单，成本低廉，可大面积制备和串并联以增大信号输出，在海岸、礁石、浮标等海洋环境中具有潜在的应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种基于碳量子点修饰的复合导电薄膜的太阳能响应波浪能转化装置及其制备方法和应用。

背景技术

波浪能是海洋能中最主要的能源形式之一，开发利用波浪能是解决未来能源危机和生态环境问题的重要举措。现阶段波浪能收集与转化设备主要基于电磁原理，依托大宗钢铁设备实现机械能-电能的转化，存在发电效率低、成本高、设备稳定与可靠性低等固有缺陷，限制了其广泛应用。开发一种基于新原理的波浪能捕获与转化装置，实现对波浪能的高效率、低成本转化具有重要意义。碳量子点是一种径向尺寸小于20nm、碳层数为10层以内的准零维纳米荧光碳材料，由于具有边缘效应和量子限域效应而呈现出光致发光特性，使其在生物成像、药物输运、疾病监测、荧光探针、光伏新能源等领域具有广泛的应用前景。通过在波浪能捕获与转化装置引入碳量子点，实现装置对太阳能、波浪能的同时捕获以提高电输出对改善能源利用架构、提高能源利用效率具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于碳量子点修饰的复合导电薄膜的太阳能响应波浪能转化装置及其制备方法和应用，本发明可以获得制备简单、成本低、采能范围广的太阳能响应波浪能转化装置，可以有效解决当今波浪能转化装置效率低、成本高的问题，通过对太阳能、波浪能的同时利用提高电输出，有利于推进波浪能产业大规模应用和商业化进程，具有重要的使用价值和经济价值。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种基于碳量子点修饰的复合导电薄膜的太阳光响应波浪能转化装置的制备方法，它包括以下步骤：

(1)、将石墨粉、硝酸钠和高锰酸钾在冰浴条件下按照质量比1~2：1：5~8溶解在浓硫酸中，搅拌；

(2)、移除冰浴，将所述混合物加热至30~50℃，搅拌后，加入水及双氧水直至气泡消失；

(3)、将所述溶液离心并清洗，并再次分散到水中并超声，离心后去除黑色残渣获得均匀悬浮液，并进一步冷冻干燥获得氧化石墨烯；

(4)、将海洋多糖作为碳源溶解在水中，作为前驱体溶液；将所述前驱体溶液移入反应釜内，放入烘箱中进行反应；将反应产物过滤，得到碳量子点水溶液；

(5)、将水性聚氨酯涂料分散在分散剂中，配制水性聚氨酯的分散液；

(6)、将所述氧化石墨烯、碳黑的混合粉末分散到步骤（5）所述水性聚氨酯的分散液中，分散使之形成稳定的分散液；

(7)、将碳纳米管及所述碳量子点水溶液分散到步骤（6）所述的氧化石墨烯、碳黑、水性聚氨酯涂料的分散液中，形成稳定的分散液；

(8)、将步骤（7）中的分散液涂在基体上，自然干燥，形成基于碳量子点修饰的碳黑/氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯复合导电薄膜；

(9)、将两个铜电极分别连接在所述基于碳量子点修饰的碳黑/氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯复合导电薄膜的上、下两端，并用乙烯−醋酸乙烯酯共聚物热封，制备太阳光响应波浪能转化装置。

进一步的：所述步骤(4)中海洋多糖为海藻多糖和/或海洋动物多糖，所述海洋多糖与水的质量比为1:200～300。

进一步的：所述步骤(4)中反应温度为140℃～180℃，反应时间为4～7小时。

进一步的：所述步骤(6)中的所述氧化石墨烯和碳黑的混合粉末占氧化石墨烯、碳黑、水性聚氨酯涂料总质量的70wt%。

进一步的：所述步骤(6)中氧化石墨烯和碳黑的质量比为氧化石墨烯：碳黑=0.01～6:1。

进一步的：所述步骤(7)中的所述碳纳米管质量占分散液总质量的0.1～25%，碳量子点溶液占分散液的体积分数为10～30%。

本发明还提供了基于碳量子点修饰的碳黑/氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯复合导电薄膜。

本发明还提供了基于所述的复合导电薄膜的太阳光响应波浪能转化装置。

进一步的：在波浪冲刷条件下产生的电流信号范围为0～200微安，电压信号范围为0～90毫伏，在太阳光照和波浪冲刷条件下产生的电流信号范围为0～500微安，电压信号范围为0～120毫伏。

本发明还提供了所述的太阳光响应波浪能转化装置在制备用于海洋环境中的电池组件中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点和技术效果是：

1、本发明充分利用纳米碳黑的导电性以及氧化石墨烯在分散剂中良好的分散性，制备得到的导电复合薄膜可与海水中的阳离子结合形成双电层结构，在波浪冲刷过程中完成双电层中载流子的吸附与传输，实现电信号输出。这种波浪能转化装置不受波浪随机性的影响，具有良好的工作稳定性。

2、本发明充分利用碳纳米管优良的导电性和吸附水中阳离子特性，通过碳纳米管的引入大大降低了薄膜欧姆阻抗，在电压维持原有水平的基础上，明显提高了电流输出。

3、本发明通过引入碳量子点制备了基于碳量子点修饰碳黑/氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯复合导电薄膜的太阳光响应波浪能转化装置，利用量子点的光致激发特性及良好的水溶性，使转化装置在太阳光照下的载流子浓度增加，相比于单纯波浪冲刷时电信号明显提升。

附图说明

图1为本发明制备的不同碳纳米管含量的碳量子点修饰碳黑/氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯复合导电薄膜的太阳光-波浪能转化装置在波浪冲刷条件下产生的电压、电流信号。

图2为本发明制备的基于碳量子点修饰的碳黑/氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯复合导电薄膜的太阳光-波浪能转化装置在不同光照强度和波浪能冲刷时产生的电压、电流信号。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

本发明提供的基于碳量子点修饰的碳黑/氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯复合导电薄膜的太阳光响应波浪能转化装置，其制备方法具体包括以下步骤：

1、将天然石墨粉、硝酸钠和高锰酸钾在冰浴条件下按照质量比1~2：1：5~8溶解在浓硫酸中，搅拌30分钟；

2、移除冰浴，将所述溶液加热至30℃，搅拌120分钟后，加入60~100 mL去离子水及质量比为3%的双氧水直至气泡消失；

3、将所述溶液离心并清洗至上清液pH=3～4，混合物再次分散到水中并超声20分钟，离心3分钟后去除黑色残渣获得均匀悬浮液；

4、将悬浮液冷冻干燥48小时，获得蓬松的固态氧化石墨烯；

5、称取0.1～0.2g海洋多糖（市售的常见海洋多糖产品均可），溶解在30mL去离子水中，常温下搅拌作为前驱体溶液；

6、将步骤5所述前驱体溶液移入反应釜内，放入烘箱中进行反应，反应温度为140℃～180℃，反应时间为4～7小时；反应结束后将反应产物用滤纸过滤，得到碳量子点水溶液；所述碳量子溶液的浓度为20mg/mL；

7、将水性聚氨酯涂料分散在分散剂（分散剂为乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、水、丙酮或乙醇胺中的一种或几种）中，配制水性聚氨酯的分散液；

8、将氧化石墨烯和碳黑的混合粉末分散到步骤7所述水性聚氨酯的分散液中，所述氧化石墨烯和碳黑的混合粉末占氧化石墨烯、碳黑、水性聚氨酯涂料总质量的70wt%，氧化石墨烯和碳黑的质量比为氧化石墨烯：碳黑=0.01～6 :1，分散形成稳定的分散液；

9、将碳纳米管及碳量子点水溶液分散到步骤8所述的氧化石墨烯、碳黑、水性聚氨酯涂料的分散液中，碳纳米管质量占分散物总质量的0～25%，碳量子点水溶液体积分数为10～30%，形成稳定的分散液。

10、将步骤9中的分散液涂在玻璃、塑料、陶瓷、石板等基体上，自然干燥，形成基于碳量子点修饰的碳黑/氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯复合导电薄膜；

11、将两个铜电极分别连接在所述碳量子点修饰碳黑/氧化石墨烯/碳纳米管/水性聚氨酯复合导电薄膜的上、下两端，并用乙烯−醋酸乙烯酯共聚物热封，制备所述太阳光响应波浪能转化装置。

实验结果如图1和2所示，通过上述方法，获得了本发明所述的太阳光响应波浪能转化装置，所述转化装置在波浪冲刷条件下电流信号范围为0～200微安、电压信号范围为0～90毫伏，在光照和波浪冲刷条件下电流信号范围为0～500微安、电压信号范围为0～120毫伏。本发明所述的发电装置可作为电池组件在海洋及电站等方面的应用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。