水蒸发发电技术简介

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：退火和氧气等离子体处理的目的均是增强乙醇碳黑的亲水性，进而增强水蒸发产电电压的输出值。在室温环境条件下，水蒸发产生的电压可升至1.0 V。在此基础上，Zhou等又进一步将不同聚合物与柔性碳膜复合，得到新的水蒸发产电器件。这些性质使TiO2纳米线可以作为水诱导产电领域的优选材料。目前的研究将TiO2纳米线用于产电器件的只有Shen等。图4.62湿气发电机在商业LED和灵活性测试中的应用碳作为地球上最丰富的元素，具有多种同素异形体。

水蒸发是一种生活中最常见的自然现象，水蒸发过程可以从周围环境中吸收热能，并将水从液态转化为气态，而科学家们更多关注的是水蒸发这一过程背后的能量转移过程，以及如何将这种能量转移进一步利用起来。Guo和Zhou等近年来首次发现水在纳米结构的碳材料表面进行蒸发能够产生持续的输出电压，且这种电压能够维持7天以上，如图4.60（b）所示。这种产电材料为乙醇炭黑，以涂覆的方式在基板上涂上两个电极，材料为多壁碳纳米管薄膜，将已涂好电极的基板放在乙醇火焰上方使得乙醇碳黑在基板表面聚集，待聚集面积覆盖两个电极后取下。冷却至室温后将器件放置于375℃下退火2.5h，再使用功率为130 W的氧气等离子体处理1min。退火和氧气等离子体处理的目的均是增强乙醇碳黑的亲水性，进而增强水蒸发产电电压的输出值。研究人员认为，乙醇碳黑可以发电的原因是水分子与碳基材料纳米层之间有相互作用。换句话说，与传统的流动电势有关。在室温环境下，感应电压可保持约1.2 V，并且可持续7天以上。

图4.60　水蒸发产电器件示意图和性能表征

（a）产电器件和材料结构示意图；（b）水在碳黑中蒸发产生的开路电压；（c）产电器件制备过程；（d）多孔碳膜的SEM图像

在已被发现的乙醇碳黑水蒸发产电器件中，材料的机械性能相对较差，测试过程中碳黑的脱落使得产电器件的性能稳定性较差，因此制造一种机械性较强、产电电压相对稳定的材料体系成为研究者们的下一步研究计划。水蒸发驱动水流动产电的一种全印刷多孔碳膜已经被制造出来。该装置是通过印刷方式制造的（图4.60（c））。得到的产电器件中多孔碳膜在测试过程中较为稳定，几乎不会脱落而影响性能。在室温环境条件下，水蒸发产生的电压可升至1.0 V。随后，Zhou等又利用热电效应控制水蒸发出去的水继续回流到原始容器中，使多孔碳膜能够在封闭的环境下持续输出电压，进一步推进了碳纳米材料的水蒸发产电器件的研究。

电流较低一直是水蒸发产电器件中急需解决的问题。根据物理学规律，当材料的横截面积越大时，电阻则越低，而在电压固定的情况下，电流则越大。在此基础上，Zhou等进一步将碳膜结合玻璃纤维制成复合柔性碳膜，增大碳膜的有效长度，进一步将水蒸发产电器件的电流增大。当柔性碳膜的高度固定为4.5 cm，宽度为40 cm时，能够产生约28 μA的输出电流。在此基础上，Zhou等又进一步将不同聚合物与柔性碳膜复合，得到新的水蒸发产电器件。他们在碳黑/玻璃纤维复合膜上修饰不同的官能团，进而改变电压的方向和输出值（图4.61（a）和图4.61（b）），并对水蒸发产电的机理做进一步的探究，发现Zeta电势能够影响电压的方向，同时，对带不同电荷的材料进行离子选择性验证实验，如图4.61（c）所示。

图4.61　水蒸发产电器件的表面修饰表征和机理探究

（a）碳黑/玻璃纤维复合膜（GCF）的FTIR光谱显示存在不同的官能团；（b）原始和改性GCF的电压，浅色线条为修饰过的复合膜内的碳纳米颗粒的Zeta电位；（c）通过纳米通道的离子选择性传输，其中为（i）带正电和（ii）带负电的表面

在产电研究领域，Guo等也做了许多工作。例如，在石墨烯材料中水流动产生的波动电位，促使一滴离子液体沿单层石墨烯表面移动导致发电等。在现有的产电研究中所使用的材料基本都是单一的某种材料。这种单一的材料体系使人们很难理解产电研究较深层次的物理化学机制，且单一材料制备的器件具有较为单一的应用条件和特性，使器件在应用范围上受到限制，因此，探究出一种杂化纳米材料应用于产电研究领域是科学家们努力的目标，来使人们进一步增强对产电研究领域的理解。到目前为止，常见的水蒸发产电用材料有以下几种：

1.二氧化钛及碳纳米材料

二氧化钛（TiO2）纳米材料具有很大的潜力，可用于光伏应用，以提高功率转换效率，因为它们具有独特的性能，如量子限制和高比表面积等。这些特性使其可以被利用进而实现高效的功率转换。一维结构显然具有大的比表面积，独特的光电性质和促进电子传输的几何特征的优点。另外，作为一种良好的光催化一维纳米材料，TiO2纳米线还具有超亲水表面、显著的量子尺寸效应和高传质性能。另外，由于氧缺陷，TiO2被认为是一种N型半导体，使TiO2纳米线的表面具有过量电荷量。这些性质使TiO2纳米线可以作为水诱导产电领域的优选材料。当液体流过其表面时，这种过量电荷的存在也会增强流动诱导电位的产生。目前的研究将TiO2纳米线用于产电器件的只有Shen等。他们发现TiO2纳米线在湿气的条件下能够产生约0.5 V的电压，并将该产电器件与超级电容器结合，制成一种自充电的柔性电子器件。湿气发电机（MEEG）在商业LED和灵活性测试中的应用如图4.62所示。

图4.62　湿气发电机（MEEG）在商业LED和灵活性测试中的应用

碳作为地球上最丰富的元素，具有多种同素异形体。在不同的维度上，有零维的碳纳米颗粒、一维的碳纳米管、二维的石墨烯。结构决定性质，碳纳米管和石墨烯的结构使其具有较优异的导电性能。在电化学领域，碳纳米管和石墨烯优异且可调节的导电特性使其一直作为电极材料被广泛研究。它们的衍生物也同样在电化学领域处于活跃状态。在产电研究领域，碳纳米管早已被发现在离子液体的流动下产生电压，而石墨烯的衍生物氧化石墨烯则是一种具有较强亲水性的材料，它在湿气环境下也能够产生电压，且在流动电势领域也有相应的优秀研究成果。

碳纳米颗粒作为碳材料家族重要的一员，它在产电研究领域也有许多重要成果。研究发现，无序的石墨化碳纳米颗粒具有特殊的结构优势，如不同结构的碳纳米颗粒导电性差异较大、材料之间孔隙便于调节等。碳纳米颗粒的这种优势使得它为接下来的水蒸发产电研究提供了很好的材料基础。

2.杂化材料

两种或多种材料通过简单的共混形成新的材料称为复合材料，而杂化材料则是由两种纳米或分子级材料组成的混合物，因此，杂化材料相较于复合材料而言，后者材料的尺寸在微米至毫米范围。杂化材料在微观尺度混合，因此材料内部较均匀，从而使它表现出的不是介于两种材料间的特性，而是能够兼具两种材料的优势；同时，它们之间的协同作用会使得杂化材料具有更优异的性能。例如，有研究发现，将石墨烯与TiO2纳米管进行杂化发现，含有10% 氧化石墨烯的杂化产物具有最高的光催化性能。这种类似的协同作用不仅在光催化领域里存在，在其他电化学应用领域同样存在。在超级电容器的研究上，将聚苯胺和MWCNT杂化得到材料电极可以大幅度提高电容器的比电容值，具有较高的功率密度。将MnO2和PPy进行杂化得到的材料电极制备的电容器具有较好的电化学可逆性。在电池研究领域，将还原性的氧化石墨烯与氧化铁杂化材料用于锂电池的研究，发现杂化材料电极电池性能远大于两种单一材料电极的电池性能。可见，在科学研究中，杂化材料具有明显的性能优势。

电能的开发和利用一直是研究者们研究的重点。当今社会的快速发展对便携式设备产生大量需求，而由于自然资源慢慢减少，研究出一种能够从环境中捕获能量进而转化为电能的设备成为科学家们的目标。为此，从生活中熟知的现象和经验出发，研究者们研发出许多新的产电方式。生活中存在摩擦起电现象，受此启发，科研人员研究出了摩擦纳米发电机。随着碳纳米材料的发展，石墨烯作为一种新型碳纳米材料问世。引起了研究者们对石墨烯的疯狂研究，进而发现，在湿气的环境下，氧化石墨烯能够产生电能。一直以来，碳材料中流动电势的存在备受关注。通过利用水或者离子液体在带电材料表面上流动而产生流动电势，这一直是科学家们研究的热点。研究发现，水在碳纳米材料表面蒸发能够产生持续稳定的电压和电流，但是，这个过程产生的电流较低，难以进行实际应用，并且，水蒸发产电的材料已知的仅有碳材料，且只能在水的蒸发下产电。基于此，研究人员探索了新的水蒸发产电材料来进一步扩大材料选择范围，并且探索其他液体蒸发环境下产电的可能性。

由于微观尺度混合的杂化材料能够兼具两种材料的优势，因此其在液体蒸发产电领域同样具有较优异的性能。至今，该领域的研究还处于空白。基于此，选择一维的TiO2纳米线和零维的碳纳米球制备出具有特定结构的一维杂化纳米材料，将其作为液体蒸发诱导产电装置，并进一步探究其产电机理。这项工作的完成将为水蒸发产电器件的多样化应用提供材料基础，增强便携式智能设备实际应用的可能性。

科学家们早就预测并证实，由于双电层的存在，微/纳米通道中的流体流动会产生流动电势。在过去的十年中，纳米技术的迅速发展使流体发电重新回到科学家们的视线中。他们在已知的研究中发现，用于水力发电的功能材料目前仅集中在碳材料，如无定形碳、石墨烯和聚合物上，然而，除了具有低和不稳定的输出功率密度外，诱导发电的液体仅限于水，这使得研究人员很难理解造成这种影响的深层物理/化学机制，同时，现有的水力发电器件在未来很难满足智能自供电电子设备的多样化需求，因为很难改变它们固定的应用环境，所以目前研究迫切需要开发液体发电的理论基础并探索新的纳米技术和纳米结构，从而使其适用于多种智能自供电电子产品。

一维结构纳米材料具有大的比表面积、独特的光电性质和能够有效促进电子传输的几何特征。其中作为一种良好的光催化一维纳米材料，TiO2纳米线还具有超亲水表面、显著的量子尺寸效应和高传质性能。另外，由于TiO2是一种N型半导体，且具有较多的氧缺陷，因此TiO2纳米线的表面具有过量的电荷。当液体流过其表面时，这种过量电荷的存在也会促使流动诱发电位的产生。结合一维 TiO2纳米线的所有优点以及传统碳材料在流体发电中的作用，可以仿照嘉宝果的结构（图4.63），我们设计出一种独特的一维杂化纳米结构，其中包括碳纳米球（CNS）和TiO2纳米线（CNS @ TiO2NWs，即C@T），并对该杂化材料进行了结构表征和产电机理讨论。

图4.63　嘉宝果的结构

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