一种碳基纤维状水流纳米发电机及其制备方法

摘要

本发明公开了一种碳基纤维状水流纳米发电机及其制备方法，包括以下步骤(1)核‑壳状纳米粒子/碳材料纤维制备：将碳材料纤维经过丙酮、乙醇和去离子水依次超声洗涤后自然晾干，将晾干的碳材料纤维进行表面亲水处理，然后对表面经过亲水化处理的碳材料纤维进行表面纳米粒子包覆；(2)将碳材料纤维两端分别与铜导线相连，然后将铜导线穿入塑料导管中，所述碳材料纤维一端露在塑料导管外面，另一端置于塑料导管内部，在塑料导管两端分别安装进出水接头，露出的铜导线和碳材料纤维均置于所述接头外侧，并用热熔胶对连接部位进行密封。采用本发明的纳米发电机，能够方便的将流体机械能转变为电能，有利于在工业上的大规模推广和应用。

权利要求

1.一种碳基纤维状水流纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)核-壳状纳米粒子/碳材料纤维制备：将碳材料纤维经过丙酮、乙醇和去离子水依次超声洗涤后自然晾干，将晾干的碳材料纤维进行表面亲水处理，然后对表面经过亲水化处理的碳材料纤维进行表面纳米粒子包覆，得到核-壳状纳米粒子/碳材料纤维；(2)将所制备的核-壳状纳米粒子/碳材料纤维两端分别与铜导线相连，然后将铜导线穿入塑料导管中，所述核-壳状纳米粒子/碳材料纤维一端露在塑料导管外面，另一端置于塑料导管内部，在塑料导管两端分别安装进出水接头，露出的铜导线和核-壳状纳米粒子/碳材料纤维均置于所述接头外侧，并用热熔胶对连接部位进行密封，得到碳基纤维状水流纳米发电机。

2.根据权利要求1所述的碳基纤维状水流纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳材料纤维表面亲水处理的方法选自表面氧化、表面接枝、小分子涂覆或电沉积中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的碳基纤维状水流纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中纳米粒子包覆方法选自原位生长、涂覆、浸渍或电沉积中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的碳基纤维状水流纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中纳米粒子选自硫化物纳米粒子、氧化物纳米粒子、氮化物纳米粒子或碳化物纳米粒子及修饰或改性的硫化物纳米粒子、氧化物纳米粒子、氮化物纳米粒子、碳化物纳米粒子中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的碳基纤维状水流纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳材料纤维选自碳纤维，改性碳纤维，石墨烯纤维，改性石墨烯纤维，碳纳米管纤维，活性炭纤维，富勒烯纤维或二维过渡金属碳化物复合纤维中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的碳基纤维状水流纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述塑料导管中通有流体溶液，所述流体溶液选自含有碱金属或碱土金属的可溶性盐溶液、海水、血液中的任意一种。

7.一种权利要求1～6任意一项所述的制备方法制备得到的碳基纤维状水流纳米发电机。

说明书

一种碳基纤维状水流纳米发电机及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于纳米能源与发电机技术领域，具体涉及一种碳基纤维状流体纳米发电机及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着传统化石燃料的不断衰竭，能源问题已经成为制约人类未来生存和发展的关键要素。为解决能源问题，国内外研究者们对可再生能源的开发与利用进行了大量的研究。其中，纳米发电机作为能量收集和转换的纳米技术之一，可以将分散的机械能转换为电能，这可以实现能量的充分利用，并对自发电和自驱动纳米系统装置的设计制作起到关键作用。目前，基于双电层分离机理的流体的纳米发电机已有报道，且多以碳材料为主，如碳纳米管，石墨烯等。然而，目前的水流纳米发电机还存在如下问题：(1)能量的转换效率较低，总体输出功率小；(2)发电机的结构复杂，制备工艺复杂，限制了适用范围。

发明内容

[0003] 为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种碳基纤维状流体纳米发电机及其制备方法，该方法制备得到的流体纳米发电机能够方便的将流体机械能转变为电能，可以方便的进行电路连接，有利于在工业上的大规模推广和应用。

[0004] 为了达到上述技术效果，本发明提供了一种碳基纤维状水流纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)核-壳状纳米粒子/碳材料纤维制备：将碳材料纤维经过丙酮、乙醇和去离子水依次超声洗涤后自然晾干，将晾干的碳材料纤维进行表面亲水处理，然后对表面经过亲水化处理的碳材料纤维进行表面纳米粒子包覆，得到核-壳状纳米粒子/碳材料纤维；(2)将所制备的核-壳状纳米粒子/碳材料纤维两端分别与铜导线相连，然后将铜导线穿入塑料导管中，所述核-壳状纳米粒子/碳材料纤维一端露在塑料导管外面，另一端置于塑料导管内部，在塑料导管两端分别安装进出水接头，露出的铜导线和核-壳状纳米粒子/碳材料纤维均置于所述接头外侧，并用热熔胶对连接部位进行密封，得到碳基纤维状水流纳米发电机。

[0005] 进一步的技术方案为，所述步骤(1)中碳材料纤维表面亲水处理的方法选自表面氧化、表面接枝、小分子涂覆或电沉积中的任意一种。

[0006] 进一步的技术方案为，所述步骤(1)中纳米粒子包覆方法选自原位生长、涂覆、浸渍或电沉积中的任意一种。

[0007] 进一步的技术方案为，所述步骤(1)中纳米粒子选自硫化物纳米粒子、氧化物纳米粒子、氮化物纳米粒子、碳化物纳米粒子及修饰或改性的硫化物纳米粒子、氧化物纳米粒子、氮化物纳米粒子、碳化物纳米粒子中的一种或多种。

[0008] 进一步的技术方案为，所述步骤(1)中碳材料纤维选自碳纤维，改性碳纤维，石墨烯纤维，改性石墨烯纤维，碳纳米管纤维，活性炭纤维，富勒烯纤维或二维过渡金属碳化物复合纤维中的一种或多种。

[0009] 进一步的技术方案为，所述步骤(2)中所述塑料导管中通有流体溶液，所述流体溶液选自含有碱金属或碱土金属的可溶性盐溶液、海水、血液中的任意一种。

[0010] 本发明还提供了一种由上述制备方法制备得到的碳基纤维状水流纳米发电机。

[0011] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0012] 采用本发明的制备方法制备得到的流体纳米发电机，基于固-液界面双电层分离原理，由表面生长纳米粒子的核-壳状碳材料纤维组成，所用流体为盐溶液，可以方便地将盐水机械能转化为电能，所制备的流体纳米发电机且具备高的功率密度和优异的高浓度盐溶液环境稳定性，具备轻质、高柔性、高机械强度和优异的环境稳定性等特点，在潜水员可穿戴能源设备和生物体自驱动器件方面具有广泛前景，且本发明的制备工艺简单易操作，成本低，适合大规模的推广和应用。

附图说明

[0013] 图1为实施例2制备的二硫化钼阵列碳纤维的扫描电镜图片；

[0014] 图2为实施例2制备的流体纳米发电机的开路电压；

[0015] 图3为实施例2中所制备的流体纳米发电机在不同流体流速下的开路电压；

[0016] 图4是实施例2中所制备流体纳米发电机在不同浓度氯化钠溶液下的开路电压；

[0017] 图5是实施例2中所制备流体纳米发电机多次循环下的开路电压。

具体实施方式

[0018] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0019] 实施例1

[0020] 30厘米长的碳纤维，经丙酮、乙醇和去离子水依次30分钟超声洗涤后，自然晾干。将晾干的碳纤维置于10％的硫酸和5％的硝酸混合溶液中，于50℃预氧化处理5小时。取出后去离子水洗涤，自然晾干备用。将氧化处理的碳纤维置于50毫升高压水热釜，然后水热釜中加入35毫升摩尔比为1:3的硝酸钴和尿素混合溶液，于160℃反应16小时。待反应结束后取出碳纤维，超声清洗并自然晾干。然后将包覆有碱式碳酸钴的碳纤维置于氩气环境中300℃煅烧30分钟，得到四氧化三钴纳米线包覆的核-壳状碳纤维。

[0021] 剪取15厘米长有四氧化三钴纳米片的核-壳状碳纤维，将其两端分别与铜导线相连，并穿入直径为3毫米的聚丙烯塑料软管中，其中一端碳纤维露出软管。再将进出水接头安装到软管两侧，并用热熔胶对导管连接处进行密封。

[0022] 实施例2

[0023] 50厘米长的碳纤维，经丙酮、乙醇和去离子水依次30分钟超声洗涤后，自然晾干。将晾干的碳纤维置于10％的硫酸和5％的过硫酸钾混合溶液中，于50℃预氧化处理10小时。
取出后去离子水洗涤，自然晾干备用。将氧化处理的碳纤维置于50毫升高压水热釜，然后水热釜中加入35毫升摩尔比为1:3的钼酸铵和硫脲混合溶液，于200℃反应24小时。待反应结束后取出碳纤维，超声清洗并自然晾干，然后于氩气环境中500℃煅烧1小时，得到纳米二硫化钼纳米片阵列包覆的核-壳状碳纤维。

[0024] 剪取10厘米长有二硫化钼阵列的碳纤维，将其两端分别与铜导线相连，并穿入直径为2毫米的聚丙烯塑料软管中，其中一端碳纤维露出软管。再将进出水接头安装到软管两侧，并用热熔胶对导管连接处进行密封。

[0025] 图1为实施例2制备的二硫化钼/碳纤维的扫描电镜图片，由图可见，二硫化钼纳米片均匀的分布在碳纤维表面，形成规则的阵列结构；

[0026] 以氯化钠溶液为流体，对所制备的流体纳米发电机能量转换性能进行测试，其测试结果见附图2～5。

[0027] 图2为实施例2制备的流体纳米发电机的开路电压，在0.6摩尔/升的氯化钠水溶液中对二硫化钼/碳纤维纳米发电机性能进行测试，其开路电压可维持在540毫伏；

[0028] 图3为实施例2中所制备的流体纳米发电机在不同流体流速下的开路电压，由图可知，随着氯化钠溶液流速的增大，钠离子在纤维表面运动速率增大，导致正负电荷分离过程加快，这使得二硫化钼/碳纤维纳米发电机开路电压也不断增大；

[0029] 图4是实施例2中所制备流体纳米发电机在不同浓度氯化钠溶液下的开路电压，随着氯化钠溶液浓度的增大，二硫化钼/碳纤维纳米发电机开路电压增大，随着氯化钠溶度再次增大，当钠离子在硫化钼表面吸附达到饱和状态，其开路电压达到一个最大值并保持不变；

[0030] 图5是实施例2中所制备流体纳米发电机1000次循环下的开路电压，随着循环次数增多，其开路电压始终保持540毫伏不变，说明所制备的二硫化钼/碳纤维纳米发电机具有优异的循环稳定性能。

[0031] 实施例3

[0032] 20厘米长的碳纳米管纤维，经丙酮和去离子水依次洗涤后，自然晾干。将晾干的碳纳米管纤维在臭氧环境中氧化处理1小时达到亲水改性的目的。将氧化处理的碳纳米管纤维置于50毫升高压水热釜，然后水热釜中加入35毫升2％的高锰酸钾溶液当中，于180℃反应12小时。待反应结束后取出碳纤维，超声清洗并自然晾干，然后于氩气环境中500℃煅烧1小时，得到二氧化锰纳米线包覆的核-壳状碳纳米管纤维。

[0033] 剪取8厘米长有二氧化锰纳米线包覆的核-壳状碳纳米管纤维，将其两端分别于铜导线相连，并穿入直径为2毫米的聚丙烯塑料软管中，其中一端碳纤维露出软管。再将进出水接头安装到软管两侧，并用热熔胶对导管连接处进行密封。