利用C@T液体蒸发产生电能的装置

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图4.67为在常压和25℃下水蒸发产生的电信号。图4.67在常压和25℃下水蒸发产生的电信号流动诱导电压；流动诱导电流；FIV的长时间稳定性测试；FIC的长时间稳定性测试以甲苯碳纳米颗粒和TiO2纳米线杂化材料为主体制造水蒸发产电器件，性能测试数据见表4.2。图4.69电极互换对FIV的影响蒸发速率是影响FIV的重要因素之一。

电能的研究涉及千家万户，产电研究一直是人们较为关注的领域。目前的研究已发现，碳纳米材料在水的诱导下能够产生电压，这里的水不仅指流动的水，还包括湿气。近年来科学家们发现在碳纳米材料中水蒸发能够产生电压，激发了广大研究者们的兴趣，但是，将水换成其他液体的蒸发产电装置还没有被制备出来。

我们首先关注了影响C@T装置产电性能的各种内在和外在因素。图4.67为在常压和25℃下水蒸发产生的电信号。蒸发产电器件的示意图如图4.67中的插图所示。制备过程如下：将碳浆CH-8（MOD2）涂覆在氧化铝陶瓷片上，宽度为3 mm，形状为L形，如图4.67中的电极A和B，然后再将已准备好的TiO2纳米线和碳杂化材料的浆料均匀涂覆在氧化铝陶瓷片上，浆料覆盖面积约为2.5 cm×4.5 cm，并均覆盖A和B电极的上下部分。待浆料晾干后，放入370℃马弗炉中2.5 h。之后，将其冷却至室温，得到EPG器件。EPG器件中的C@T材料和电极之间显示出优异的导电性能。

在实验过程中，将产电装置的B电极浸入去离子水中，水迅速渗入C@T中。随后，由于纳米结构的毛细管作用，渗透的高度显著高于水位。与植物蒸腾作用相似，随着水的蒸发，容器中的水迅速补充上并渗透到陶瓷板上的C@T中，使水能够在C@T中从底部连续流动到顶部，在毛细作用下上升的水进行蒸发，进而产生稳定持久的诱导电压和诱导电流。在最初使用产电装置时，水首先渗入干燥的C@T中，随后伴随着水的蒸发，因此在C@T中，水的饱和是一个缓慢进而达到平衡的过程。

图4.67　在常压和25℃下水蒸发产生的电信号

（a）流动诱导电压（FIV）（插图为蒸发产电器件示意图）；（b）流动诱导电流（FIC）；（c）FIV的长时间稳定性测试；（d）FIC的长时间稳定性测试

以甲苯碳纳米颗粒和TiO2纳米线杂化材料为主体制造水蒸发产电器件，性能测试数据见表4.2。在室温下水的蒸发过程中，电压逐渐上升，约为1h后达到平衡，诱导电压约为1.6 V，诱导电流约为170 nA，如图4.67（a）和图4.67（b）所示。此外，这个器件产生的电压和电流具有较高的稳定性，在室温（25℃）下能够持续8天以上，如图4.67（c）和图4.67（d）所示。

表4.2　水蒸发产电器件性能测试数据（列举10次测试结果）

不同碳源的纳米颗粒和TiO2纳米线杂化材料用于水蒸发产电的FIV如图4.68所示。碳源纳米颗粒的性质对于水蒸发产电器件也是十分重要的，上述的结果是采用甲苯不完全燃烧产生的碳颗粒作为杂化物中的碳材料。随后，选择了其他含有杂原子的碳源用于收集碳纳米颗粒。选择苯胺和氯苯用于杂化材料的制备，将得到的杂化材料用于水蒸发产电，发现苯胺碳纳米颗粒和TiO2纳米线杂化材料能够在水蒸发的条件下产生约0.8 V的电压，且产电信号波动较大，可能是由于杂原子的存在，导致自由电子过多，因此电压输出信号稳定性较差，而氯苯碳纳米颗粒和TiO2纳米线杂化材料在水蒸发的条件下能够产生约1.2 V电压，且产电电压信号稳步上升。综上所述，甲苯碳纳米颗粒和TiO2纳米线杂化材料作为水蒸发产电器件的输出电压较大，且较为平稳，故后续测试中均采用该杂化材料。

图4.68　不同碳源的纳米颗粒和TiO2纳米线杂化材料用于水蒸发产电的FIV

（a）苯胺碳纳米颗粒和TiO2纳米线用于水蒸发产电的FIV；（b）氯苯碳纳米颗粒和TiO2纳米线用于水蒸发产电的FIV

当电极A和B翻转后，产电装置的FIV信号也将反向并且仍然保持相同的电压高度。电极互换对FIV的影响如图4.69所示。可以得出结论，电压的方向仅由蒸发驱动的水流方向决定。

图4.69　电极互换对FIV的影响

蒸发速率是影响FIV的重要因素之一。FIV的环境条件依赖性如图4.70所示。研究发现，风速的变化对电压有明显影响，如图4.70（a）所示，随着风速的增加，电压会相应增大。当风速增大，水蒸发速率增大，进而影响FIV；当风速为0.45 m/s时，电压能够达到1.9 V，同时，也研究了蒸发引起的电压如何随着水蒸发速率的变化（降低和升高）而变化，如图4.70（b）所示。当水面上方的空间中水蒸气含量足够高，即当容器被密封以形成封闭系统（×）时，随着容器内的湿度迅速增加至饱和，水蒸发过程将很快停止，如图4.70（b）中浅色曲线显示的部分。很明显，停止蒸发将会使电力耗尽，而当将容器敞开（○）时，FIV立即再次升高并恢复至原始数值，如图4.70（b）中的黑线所示，而且这种由密封和开封引起的可控电压变化是完全可以重复的，很好地解释了水蒸发过程与FIV之间的关系。在实验中发现，在一个蒸发产电装置中，FIV存在强烈的角度依赖性（陶瓷板背面和水面之间的角度）。图4.70（c）显示出了15°～150°不同倾斜角的函数绘制的FIV。可以发现，EPG装置在60°的固定角度位置将产生最高的FIV。当角度太低时，毛细力使水更容易上升到更高水平，导致C@T层中的水更多，并且相对于C@T层中水含量较低时，水蒸发速率更慢。当产电器件的倾斜角度增加并超过90°时，蒸发受到较大的阻碍，这将大大降低FIV。另外，衬底上的C@T厚度也会影响产电性能。当增加C@T层的厚度以减小其横向电阻时，可以导致流动感应电流的显著增加，如图4.70（d）所示，随着C@T层厚度增加，水蒸发速率将会降低，并且流动感应电压信号变差，同时导致流动感应电流急剧下降。这种嘉宝果状结构和C@T杂化材料的结合使其作为EPG器件具有较大的优势，因此具有较优异的性能。

图4.70　FIV的环境条件依赖性

（a）不同风速下的FIV变化情况；（b）封闭（×）和开放（○）系统中的FIV和相对湿度；（c）倾斜角对FIV性能的影响（当倾斜角为15°、30°、60°、90°、120°和150°时，FIV分别为0.98 V、1.49 V、1.62 V、1.15 V、0.84 V和0.20 V）；（d）具有不同C@T层厚度的EPG器件的FIV和FIC（当厚度为18、34、73和109 μm时，FIV为1.54 V、1.47 V、1.25 V和1.12 V；FIC分别为104 nA、185 nA、329 nA和128 nA）

内在性质和结构对性能具有决定性的影响，C@T中TiO2含量对蒸发产电器件来说非常重要。基于此，精确控制TiO2纳米线在C@T中的含量并研究不同TiO2纳米线的含量下蒸发产电的性能。图4.71所示为EPG器件中具有不同的TiO2纳米线比例的FIV和FIC。当碳黑含量较高时，FIV和FIC都倾向于降低，因此可以推断出，在有随机排列的CNS的C@T中，少量的TiO2纳米线不能很大程度地改善纳米结构和亲水性，所以不会引起诱导电压和电流的增加。随着TiO2纳米线含量的进一步增加并逐渐主导C@T的性能，TiO2的优异亲水性和碳纳米球与TiO2纳米线的更好黏附形成了规则的嘉宝果状结构，产生了较为优异的性能。随着TiO2纳米线含量的增加，产电装置的FIV和FIC呈现出增加的趋势；随着TiO2纳米线含量的进一步提高，电压达到最大值后逐渐减小。当TiO2纳米线的含量为50%时，EPG器件的流动感应电流最大可达250 nA；当TiO2纳米线的含量为75%时，FIV达到最大值 1.6 V。能够注意到的是，EPG器件在最大感应电压和最大感应电流下的组分比不同。这是因为CNS的高电导率能够增加FIC，而TiO2纳米线的亲水性有助于FIV的改善，因此，选择具有70%的TiO2纳米线含量的C@T可以显示出较高的流动感应电压和电流，而随后的研究则都是基于选择这一配比材料进行的。

在已被研究出的水蒸发产电器件中所采用的蒸发液体仅局限于水，而在一些无水条件下，蒸发产电器件的应用受到较大限制。为了解决上述情况，研究人员探究了不同液体蒸发对产电器件的影响。研究发现，液体的固有特性会直接影响EPG装置的性能。

图4.71　EPG器件中具有不同的TiO2纳米线比例的（左轴）FIV和（右轴）FIC（当含量

分别为0、25%、33%、67%、75%、80%和100%时，FIV分别为0.97V、0.73V、0.66V、1.14V、1.49V、1.58V、1.32V和1.01 V；FIC分别为210 nA、193 nA、246 nA、261 nA、185 nA、134 nA、107 nA和31 nA）

选择日常生活中常见的自来水、湖水（取自北京雁栖湖）和海水（取自中国黄海）三种水与去离子水进行比较发现，这些种类的水应用于蒸发产电装置中时，产生的电压均比使用去离子水产生的FIV低得多，不同溶剂中的EPG设备性能测试如图4.72所示。需要关注一个理论上已被证明的机理，对于自来水、湖水和海水来说，由于它们中都具有较高的离子浓度，因此导致德拜长度比去离子水中的短，进而产生较弱的双电层（EDL）效应。如图4.72（a）所示，蒸发产电装置在上述三种液体中的发电能力将大大减弱，特别是在离子浓度最高的海水中。

图4.72　不同溶剂中的EPG设备性能测试

（a）不同种类水的输出FIV（当水是去离子水、自来水、湖水和海水时，FIV分别为1.56V、0.36V、0.33V和0.22 V。离子浓度从低到高是：去离子水＜自来水＜湖水＜海水）；（b）使用不同液体的EPG装置的FIV（当液体为甲醇、去离子水、丙酮、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）时，FIV分别为1.97V、1.57V、0.79V、0.66V和0.20 V）

当用其他液体代替水时，也会产生不同的结果。选择一些具有不同极性和蒸发速率的液体，包括甲醇、丙酮、乙醇和N,N-二甲基丙烯酰胺（DMF）等用于产电器件测试中，当它们渗入产电器件中时，随着液体的蒸发，所有的液体都能够发电，如图4.72（b）所示。与使用去离子水的蒸发产电装置相比，使用甲醇作为蒸发液体能够产生更高的FIV。相反，当蒸发液体变为乙醇、丙酮和DMF时，产生的电压低于水的FIV。根据之前的研究可知，蒸发速率对FIV有很大的影响。上述液体从高到低的蒸发速率为丙酮、甲醇、乙醇、水和DMF，与这些液体蒸发产生的FIV不一致。其中，蒸发速率低的水可以产生相当高的FIV，因此，一定还有其他因素会影响FIV。一般来说，FIV在极性较高的液体中会更高，如图4.72（b）所示。在高极性质子溶剂如水或甲醇中，含有较高浓度的氢质子，这些氢质子更容易进入C@T，在其表面上形成重叠的双电层，从而产生更高的FIV。相反，在低极性非质子溶剂如丙酮或乙醇中，较低浓度的氢质子不能形成良好的双电层，导致FIV较低。特别指出的是，尽管DMF的极性不是最低的，但蒸发速率极低，因此FIV也非常低。不同液体产电器件的FIV如图4.73所示。总而言之，在高极性质子性溶剂中，较高浓度的氢离子在材料表面更易形成重叠双电层，进而产生较高电压，而低极性质子性溶剂中，较低浓度的氢离子较难在材料表面产生重叠的双电层，导致电压较低。当高极性溶剂的蒸发速率较低时，尽管能够产生重叠的双电层，但是蒸发速率较低，进而导致产生的电压较低。

利用C@T液体蒸发产生电能的装置

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