一种基于吸收人体汗液的蒸发驱动发电机及其制备方法

摘要

一种基于吸收人体汗液的蒸发驱动发电机及其制备方法，通过将科琴黑、十二烷基苯磺酸钠和去离子水混合，再进行，超声，将裁剪好的棉布浸泡在碳黑溶液中，取出烘干后即得发电单元。将棉布裁剪成银杏叶状的扇形形状，在扇形区域交错划分成亲水区和疏水区并在疏水区喷涂配制好的PVDF溶液即得具有汇集液体和定向导水功能的导水单元。将发电单元和导水单元拼接即得蒸发驱动的发电器件。导水单元可直接将液体汇聚导向至发电单元，避免发电单元与液体直接接触而发生性能不稳定的状况。本发明构筑简单、操作便捷、成本低廉，所制备的器件可将收集到的水或液体在自发蒸发过程中产生的能量转换成电能，可以为小型电子设备即时供电。

说明书

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种基于吸收人体汗液的蒸发驱动发电机及其制备方法。

背景技术

随着时代的快速发展和纳米科学技术的不断创新，研究学者们研发出了多种不同的发电技术，如摩擦电、驻极体、压电、热电以及水伏发电等发电技术。这些发电技术可以将环境中的一些低品位能量或微小的机械能转换为电能去进行应用。而水伏发电作为近几年发展的新兴发电技术，是一种清洁且发展潜力巨大的方式。

2017年以来，水伏发电现象迎来了重大突破，研究学者们发现在不需要外加作用力的条件下也能利用流动电势产生电能。周军和郭万林团队在国外著名期刊NatureNanotechnology上发表论文，报道称只需将经过等离子体处理的炭黑片插入装有去离子水的烧杯中即可发电。在这类器件中，紧密填充的多孔碳纳米颗粒形成了连续的微通道，在毛细压力和自然蒸发的作用下，水渗透到这些多孔碳纳米管中，引起流动电势，使得器件产生的开路电压可达1V左右。由于它利用自然蒸发过程并使用廉价的碳黑，它可能在开发实用设备方面提供优势。因此，研究人员们在此基础上开展了大量的研究工作，为水伏效应提供了大量的研究思路和实验方案。但是迄今为止所制备的器件仍存在输出功率密度低，应用较少等问题。

发明内容

为了丰富现有的蒸发驱动纳米发电机应用以及提高其输出性能，本发明提供一种基于吸收人体汗液的蒸发驱动发电机及其制备方法

本发明包括以下步骤：

一种基于吸收人体汗液的蒸发驱动发电机，包括发电单元和导水单元；

所述发电单元包括碳布和电极，所述碳布采用棉布作为基底材料，碳黑作为负载材料；

所述导水单元采用天然脱脂棉作为基底材料，将其裁剪成银杏叶状的扇形形状，并在扇形区域交错划分成亲水区和疏水区，在疏水区喷涂PVDF，使其具有较好汇聚导水能力；在吸收液体时，疏水区会使液体向亲水区靠近；所述导水单元用于汇聚液体并将液体导向发电单元；

所述导水单元通过订书钉固定在发电单元一端，并在两端耦合电极。

进一步的，所述碳黑为超导炭黑科琴黑。

进一步的，包括以下步骤：

1)制备发电单元

11)将科琴黑、十二烷基苯磺酸钠、去离子水混合，进行30分钟超声，得到碳黑溶液；

12)将裁剪好的棉布浸泡在所述碳黑溶液中得到碳布，取出碳布烘干后得到发电单元；

2)制备导水单元

将天然脱脂棉裁剪成银杏叶状的扇形并在扇形区域的疏水区喷涂上PVDF溶液得到导水单元；

3)制备蒸发驱动发电机

采用订书钉将导水材料固定在碳布一端，并在碳布两端耦合电极，取得蒸发驱动发电机。

进一步的，所述步骤11)中科琴黑、十二烷基苯磺酸钠、去离子水的投料比为0.5g：1.5g：40mL。

进一步的，所述步骤12)中将浸泡好的碳布放入60℃真空干燥箱中处理6h。

进一步的，所述步骤2)中PVDF溶液采用的是PVDF：丙酮质量比为1：50。

进一步的，所述步骤3)中所用电极为铁制订书钉，且电极间距离为4cm。

本发明发电单元采用超导炭黑科琴黑作为负载材料，将其制备好的碳黑溶液负载到棉布上取得碳布作为基底材料。通过在碳布两端耦合电极，将水或液体滴在碳布一端，水分子通过碳布自身孔道结构，实现自发的蒸发驱动发电，在优化条件下单个材料在的开路电压和短路电流可达0.63V和0.13mA，其输出功率可达0.17μW。

本发明导水单元采用天然脱脂棉作为基地材料，将其划分为亲水区和疏水区，并将配置的PVDF溶液喷涂至疏水区，导水单元具有汇聚液体并将液体导向发电单元的功能。

有益效果

1)本发明与普通炭黑相比，采用科琴黑的蒸发驱动发电机的具有更好的输出性能。在优化条件下单个材料在的开路电压和短路电流可达0.65V和150μA，其输出功率密度可达1.89μW/cm

2)本发明导水单元因其扇形结构以及交错的亲疏水区，使其具有单独的汇聚液体导向功能，将收集到的液体直接导向发电单元一端进行发电，可避免发电单元直接与液体接触而发生性能不稳定的状况。

3)本发明可置于具有模拟人体汗液的环境中，导水单元亲水部分吸收自身周围环境的汗液，并将吸收的汗液汇聚于一点传输到发电单元上进行发电，可应用于人体上做实际应用。

4)本发明构筑简单、操作便捷、成本低廉，所制备的器件可将收集的水或液体在自发蒸发过程中的能量转换成电能，可应用于电子器件的即时供电。

附图说明

图1为本发明制备的蒸发驱动发电机采用科琴黑与普通炭黑的短路电流对比图。

图2为本发明制备的蒸发驱动发电机采用科琴黑与普通炭黑的功率密度对比图。

图3为本发明制备的蒸发驱动发电机在并联下短路电流的测试结果。

图4为本发明制备的蒸发驱动发电机在串联下开路电压的测试结果。

图5为本发明制备的蒸发驱动发电机结构示意图。

图6为本发明制备的蒸发驱动发电机导水单元的吸水性能图。

图7为本发明制备的蒸发驱动发电机导水单元的液体流向图。

图8为本发明制备的蒸发驱动发电机的实际应用图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，列举如下实施例。实施例中所出现的原料、反应和后处理手段，除非特别声明，均为市面上常见原料，以及本领域技术人员所熟知的技术手段。

一、制备碳布基底材料

将0.5g科琴黑、1.5g十二烷基苯磺酸钠、40mL去离子水进行混合，用保鲜膜密封，进行30分钟超声(100W)，取得碳黑溶液。

将裁剪好的棉布(2cm*5cm)浸泡在碳黑溶液中1分钟，取出放入60℃真空干燥箱中处理6h，取得干燥碳布。

二、导水材料的制备

将0.158g PVDF和10mL丙酮溶液进行混合，取得PVDF溶液，将天然脱脂棉裁剪成所需形状，在特定区域喷涂上PVDF溶液，得到导水材料。

三、制备蒸发发电材料：

采用订书钉将导水材料固定在碳布一端，并在碳布两端耦合电极，取得蒸发驱动发电材料。

以上导水材料具有疏水部分和亲水部分，用于更好汇聚吸收汗液并将汗液导入发电单元，且蒸发发电材料电极间距离为4cm。

形成的蒸发驱动发电机以碳布作为发电单元，导水材料作为汗液收集以及液体导向单元。

四、蒸发驱动发电机性能测试及结果：

1、图1为蒸发驱动发电机采用科琴黑与普通炭黑的短路电流对比图。

从图1可以看出，蒸发驱动发电机采用科琴黑的短路电流要比普通炭黑大得多。

2、图2为蒸发驱动发电机采用科琴黑与普通炭黑的功率密度对比图。

从图2可以看出，蒸发驱动发电机采用科琴黑的功率密度要比普通炭黑大得多

3、图3为蒸发驱动发电机在并联情况下短路电流的测试结果。

从图3可以看出蒸发驱动发电机存在并联效果。

4、图4为蒸发驱动发电机在串联情况下开路电压的测试结果.

从图4可以看出蒸发驱动发电机存在串联效果。

5、图5为蒸发驱动发电机的结构示意图。

从图中可以看到导水单元的灰白部分，分别对应疏水区和亲水区。

6、图6为蒸发驱动发电机导水单元的吸水性能图。

从图中可以看出导水单元具有较好的吸水率。

7、图7为蒸发驱动发电机导水单元的液体流向图。

从图中可以看出液体都汇聚于导水单元的尾端。

8、图8为蒸发驱动发电机的实际应用图。

从图8可以看出，蒸发驱动发电机通过串联可以直接点亮小灯泡。

五、应用：

例1

将蒸发驱动发电机输出的电能进行整流与储存，可以运行小风扇。

例2

将蒸发驱动发电机输出的电能进行整流与储存，可以为手机进行充电。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。