一种海水发电器件及其使用方法

摘要

本发明提供了一种海水发电器件及其使用方法，属于水伏发电技术领域。本发明提供的海水发电器件使用石墨烯掺杂原木片作为发电元件，石墨烯掺杂原木片含有亲水基团，有利于海水渗透，在海水自然条件下，由于木材是由纤维素、半纤维素和木质素组成，富含羟基，因此当海水渗入到石墨烯掺杂原木片的微纳米孔道时，羟基水解而产生负电荷，这些负电荷会吸附海水中的正离子而排斥负离子，正离子在石墨烯掺杂原木片的导管毛细力以及蒸发驱动作用下向上流动，从而在原木片微纳米孔道中上下两端形成定向流动电势差，进而可以收集到持续稳定的电能；并且这种方式无需外界的机械能输入或者温度湿度激励，安全高效，为新的能量转换提供了一种有效的方式。

权利要求

1.一种海水发电器件，其特征在于，包括石墨烯掺杂原木片和两个网格镂空电极，所述石墨烯掺杂原木片中与厚度方向垂直的两个表面分别与两个镂空电极贴合；所述网格镂空电极与石墨烯掺杂原木片相互贴合的表面面积相同；

所述石墨烯掺杂原木片的制备过程为：将原木片浸润于石墨烯分散液中，进行掺杂，将所得产物依次进行静置和干燥后，得到石墨烯掺杂原木片；

所述原木片的厚度方向与原木片中导管的生长方向相同；

所述掺杂的温度为10℃～30℃，时间为4～8h。

2.根据权利要求1所述的海水发电器件，其特征在于，所述原木片包括巴沙木、松木、椴木、榉木或巴沙木。

3.根据权利要求1或2所述的海水发电器件，其特征在于，所述原木片的厚度为10mm。

4.根据权利要求1所述的海水发电器件，其特征在于，所述石墨烯分散液的分散剂为N‑甲基吡咯烷酮；所述石墨烯分散液的浓度为1～2mg/mL。

5.根据权利要求1或4所述的海水发电器件，其特征在于，所述掺杂在超声条件下进行，所述超声的功率为0.35kW，频率为40kHz。

6.根据权利要求5所述的海水发电器件，其特征在于，所述静置的时间为12h。

7.根据权利要求1所述的海水发电器件，其特征在于，所述网格镂空电极为惰性电极材料，所述惰性电极材料包括碳纤维网、碳纤维布或涂覆导电碳浆的塑料网格。

8.根据权利要求7所述的海水发电器件，其特征在于，所述塑料网格的材质包括聚酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。

9.权利要求1～8任一项所述海水发电器件的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1～8任一项所述海水发电器件的两个网格镂空电极之间通过导线连接用电设备后，将网格镂空电极与石墨烯掺杂原木片相互贴合的一个端面完全浸没于海水中，另一端面暴露于空气中，进行发电。

说明书

一种海水发电器件及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水伏发电技术领域，尤其涉及一种海水发电器件及其使用方法。

背景技术

[0002] 能源是当今社会人类赖以生存的基础。智能手机、电车需要持续安全高效且便携的充电器件；人工智能/数据科学/泛物联网的融合能够实现数据共享与精准追踪依附于柔性电子的推动；高铁、航空航天技术的发展离不开能源技术的支持。能源应用已经渗入到各行各业以及人类生活的方方面面，且伴随生活水平的提高对其性能标准要求也将越来越高。

[0003] 然而，目前全球接近八成能源仍是来自石油、煤炭和天然气等传统化石燃料的燃烧，这些不可再生资源不仅十分有限已经面临枯竭危险，而且其燃烧导致的空气污染及全球变暖问题已经成为全球关注的焦点问题。而风能、水能、核能、太阳能和地热能等可再生能源虽然清洁、可循环再生，但仍存在受地域、气候因素限制高以及发电具有间歇性不稳定等难以克服的缺陷。此外，利用光伏效应和光化学反应作用将光能转化为电能的硅基太阳能电池，以及利用化学反应将化学能转换为电能的铅酸电池和锂离子电池由于具有成本低、安全性高等优势也在被广泛应用，但能量密度低、续航时间短、转换效率不高也是其明显劣势。因而，寻找新的高效、安全的能量转换方式已经成为了科学家们正在全力以赴的研究方向。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种海水发电器件及其使用方法，本发明提供的海水发电器件安全高效且清洁无污染。

[0005] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

[0006] 本发明提供了一种海水发电器件，包括石墨烯掺杂原木片和两个网格镂空电极，所述石墨烯掺杂原木片中与厚度方向垂直的两个表面分别与两个镂空电极贴合；所述网格镂空电极与石墨烯掺杂原木片相互贴合的表面面积相同。

[0007] 优选的，所述石墨烯掺杂原木片的制备过程为：将原木片浸润于石墨烯分散液中，进行掺杂，将所得产物依次进行静置和干燥后，得到石墨烯掺杂原木片。

[0008] 优选的，所述原木片包括巴沙木、松木、椴木、榉木或巴沙木。

[0009] 优选的，所述原木片的厚度为10mm，所述原木片的厚度方向与原木片中导管的生长方向相同。

[0010] 优选的，所述石墨烯分散液的分散剂为N‑甲基吡咯烷酮；所述石墨烯分散液的浓度为1～2mg/mL。

[0011] 优选的，所述掺杂在超声条件下进行，所述超声的功率为0.35kW，频率为40kHz。

[0012] 优选的，所述掺杂的温度为10℃～30℃，时间为4～8h；所述静置的时间为12h。

[0013] 优选的，所述网格镂空电极为惰性电极材料，所述惰性电极材料包括碳纤维网、碳纤维布或涂覆导电碳浆的塑料网格。

[0014] 优选的，所述塑料网格的材质包括聚酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。

[0015] 本发明提供了上述技术方案所述海水发电器件的使用方法，包括以下步骤：

[0016] 将上述技术方案所述海水发电器件的两个网格镂空电极之间通过导线连接用电设备后，将网格镂空电极与石墨烯掺杂原木片相互贴合的一个端面完全浸没于海水中，另一端面暴露于空气中，进行发电。

[0017] 本发明提供了一种海水发电器件，包括石墨烯掺杂原木片和两个网格镂空电极，所述石墨烯掺杂原木片中与厚度方向垂直的两个表面分别与两个镂空电极贴合；所述网格镂空电极与石墨烯掺杂原木片相互贴合的表面面积相同。本发明提供的海水发电器件使用石墨烯掺杂原木片作为发电元件，石墨烯掺杂原木片含有亲水基团，有利于海水渗透，在海水自然条件下，由于木材是由纤维素、半纤维素和木质素组成，富含羟基，因此当海水渗入到石墨烯掺杂原木片的微纳米孔道时，羟基水解而产生负电荷，这些负电荷会吸附海水中的正离子而排斥负离子，正离子在石墨烯掺杂原木片的导管毛细力以及蒸发驱动作用下向上流动，从而在原木片微纳米孔道中上下两端形成定向流动电势差，进而可以收集到持续稳定的电能；并且这种方式无需外界的机械能输入或者温度湿度激励，安全高效，为新的能量转换提供了一种有效的方式。

[0018] 本发明提供的海水发电器件简单易制备，且原材料木材易得，对环境清洁无污染，是具有广阔应用前景的潜力能源。

附图说明

[0019] 图1为本发明提供的海水发电器件的结构示意图，其中，1‑石墨烯掺杂的原木片，2‑橡皮筋，3‑网格镂空电极；

[0020] 图2为本发明提供的海水发电器件置于0.6mol/L氯化钠水溶液中发电结构示意图；

[0021] 图3为实施例1制备的海水发电器件置于0.6mol/L氯化钠水溶液中测得的开路电压曲线和短路电流曲线图；

[0022] 图4为实施例2制备的海水发电器件置于0.6mol/L氯化钠水溶液中测得的开路电压曲线图；

[0023] 图5为实施例3制备的海水发电器件置于0.6mol/L氯化钠水溶液中测得的开路电压曲线图。

具体实施方式

[0024] 如图1所示，本发明提供了一种海水发电器件，包括石墨烯掺杂原木片和两个网格镂空电极，所述石墨烯掺杂原木片中与厚度方向垂直的两个表面分别与两个镂空电极贴合；所述网格镂空电极与石墨烯掺杂原木片相互贴合的表面面积相同。

[0025] 在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的材料或市售商品。

[0026] 本发明提供的海水发电器件包括石墨烯掺杂原木片。在本发明中，所述石墨烯掺杂原木片的制备过程优选为：将原木片浸润于石墨烯分散液中，进行掺杂，将所得产物依次进行静置和干燥后，得到石墨烯掺杂原木片。

[0027] 在本发明中，所述原木片优选包括巴沙木、松木、椴木、榉木或巴沙木；所述原木片的厚度优选为10mm，所述原木片的厚度方向优选与原木片中导管的生长方向相同。本发明优选通过切割木材的过程控制原木片的厚度方向与导管生长方向相同。

[0028] 本发明对所述原木片的横截面形状和面积没有特殊的限定，根据实际需要进行选择即可；在本发明的实施例中，所述原木片的直径为50mm，厚度为10mm。本发明对于所述原木片的来源没有特殊的限定，选用本领域熟知的市售商品即可。

[0029] 在本发明中，所述石墨烯分散液的分散剂优选为N‑甲基吡咯烷酮；所述石墨烯分散液的浓度优选为1～2mg/mL。本发明对所述石墨烯分散液的制备过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程将石墨烯分散于分散剂即可。本发明对所述石墨烯分散液的用量没有特殊的限定，能够保证在掺杂过程中原木片完全浸润于石墨烯分散液即可。

[0030] 在本发明中，所述掺杂优选在超声条件下进行，所述超声的功率优选为0.35kW，频率优选为40kHz；本发明对所述超声所用超声机没有特殊的限定，本领域熟知的超声机即可。

[0031] 在本发明中，所述掺杂的温度优选为10℃～30℃，更优选为15～25℃，时间优选为4～8h，更优选为5～6h；所述静置的时间优选为12h。

[0032] 在本发明中，所述干燥的方式优选为烘干，所述烘干的温度优选为40℃。

[0033] 本发明对所述石墨烯掺杂原木片中石墨烯的掺杂量没有特殊的限定，按照上述过程进行浸没和掺杂得到相应掺杂量的石墨烯掺杂原木片即可。

[0034] 本发明提供的海水发电器件包括两个网格镂空电极，所述石墨烯掺杂原木片中与厚度方向垂直的两个表面分别与两个镂空电极贴合；所述网格镂空电极与石墨烯掺杂原木片相互贴合的表面面积相同。

[0035] 在本发明中，所述网格镂空电极优选为惰性电极材料，所述惰性电极材料优选包括碳纤维网、碳纤维布或涂覆导电碳浆的塑料网格。本发明对所述网格镂空电极的孔径和孔隙率没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可。本发明对所述碳纤维网和碳纤维布的规格没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可；在本发明的实施例中，所述碳纤维布2
的直径为50mm，厚度为0.36mm，表面电阻率为1.89MΩ·cm。

[0036] 在本发明中，所述塑料网格的材质优选包括聚酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲醛(POM)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在本发明中，所述涂覆导电碳浆的塑料网格的制备过程优选为将塑料网格浸渍于导电碳浆中。本发明对所述导电碳浆没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可；本发明对所述浸渍的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程根据需求调整浸渍次数保证导电碳浆连续均匀涂覆于塑料网格中即可。

[0037] 本发明优选通过弹性材料固定实现所述石墨烯掺杂原木片与网格镂空电极的贴合；所述弹性材料优选包括橡皮筋。本发明优选使用弹性材料将石墨烯掺杂原木片与网格镂空电极捆绑固定，以防止原木片泡水后与电极脱离，保证测量数据准确。

[0038] 在本发明中，所述石墨烯掺杂原木片与网格镂空电极的形状优选相同。本发明对所述石墨烯掺杂原木片的面积没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可；本发明设置所述网格镂空电极的面积与石墨烯掺杂原木片的面积相同，使得海水发电器件在使用过程中充分感应到网格镂空电极和石墨烯掺杂原木片两面的电势差。

[0039] 本发明提供了上述技术方案所述海水发电器件的使用方法，包括以下步骤：

[0040] 将上述技术方案所述海水发电器件的两个网格镂空电极之间通过导线连接用电设备后，将网格镂空电极与石墨烯掺杂原木片相互贴合的一个端面完全浸没于海水中，另一端面暴露于空气中，进行发电。

[0041] 在本发明中，所述用电设备优选包括电灯、微型传感器件、微型机器人或开关；本发明对所述电灯、微型传感器件、微型机器人或开关没有特殊的限定，本领域熟知的对应设备即可。

[0042] 本发明对所述通过导线连接用电设备的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。

[0043] 在本发明中，所述海水优选为模拟海水，所述模拟海水优选为质量浓度为0.5～0.7mol/L的氯化钠水溶液，更优选为0.6mol/L的氯化钠水溶液。本发明对所述浸没的程度没有特殊的限定，能够正常发电即可。

[0044] 下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0045] 实施例1

[0046] 将榉木切割为厚度为10mm、直径为50mm的圆形榉木片，使其厚度方向与导管生长方向一致，将所得圆形榉木片完全浸没于浓度为1mg/mL的N‑甲基吡咯烷酮石墨烯分散液中后，置于超声清洗机，在超声功率0.35kW，超声频率40kHz以及温度10℃条件下超声振动4h后放置12h，取出后，在40℃烘干，得到石墨烯掺杂榉木片；

[0047] 取直径为50mm的圆形碳纤维布(厚度0.36mm，表面电阻率1.89MΩ·cm2)两片分别与石墨烯掺杂榉木片上下两端贴合，用橡皮筋捆绑固定，将两片碳纤维布通过导线相连，得到海水发电器件。

[0048] 为了证明实施例1的海水发电器件的产电情况，如图2所示，将实施例1上述海水发电器件的两片碳纤维布之间通过导线连接电流表或电压表后，置于浓度为0.6mol/L的氯化钠水溶液(模拟海水)中，保证器件中碳纤维布与石墨烯掺杂原木片相互贴合的一个端面完全浸没于溶液中，另一端面暴露于空气中，使用电压表和电流表分别记录开路电压和短路电流，所得数据如图3所示。

[0049] 图3中(a)和(b)分别记录了开路电压和短路电流，由图3可以看出，开路电压稳定在35mV，短路电流最终稳定在2.3μA。

[0050] 实施例2

[0051] 将松木切割为厚度为10mm、直径为50mm的圆形松木片，使其厚度方向与导管生长方向一致，将所得圆形松木片完全浸没于浓度为1mg/mL的N‑甲基吡咯烷酮石墨烯分散液中后，置于超声清洗机，在超声功率0.35kW，超声频率40kHz以及温度10℃条件下超声振动4h后放置12h，取出后，在40℃烘干，得到石墨烯掺杂松木片；

[0052] 取直径为50mm的碳纤维布(厚度0.36mm，表面电阻率1.89MΩ·cm2)两片分别与石墨烯掺杂松木片上下两端贴合，用橡皮筋捆绑固定，将两片碳纤维布通过导线相连，得到海水发电器件。

[0053] 为了证明实施例2的海水发电器件的产电情况，将上述海水发电器件的两片碳纤维布之间通过导线连接电压表后，置于浓度为0.6mol/L的氯化钠水溶液中，保证器件中碳纤维布与石墨烯掺杂原木片相互贴合的一个端面完全浸没于溶液中，另一端面暴露于空气中，使用电压表记录开路电压，所得结果如图4所示，由图4可以看出，开路电压稳定在34mV。

[0054] 实施例3

[0055] 将椴木切割为厚度为10mm、直径为50mm的圆形椴木片，使其厚度方向与导管生长方向一致，将所得圆形椴木片完全浸没于浓度为1mg/mL的N‑甲基吡咯烷酮石墨烯分散液中后，置于超声清洗机，在超声功率0.35kW，超声频率40kHz以及温度10℃条件下超声振动4h后，放置12h，取出后，在40℃烘干，得到石墨烯掺杂椴木片；

[0056] 取直径为50mm的碳纤维布(厚度0.36mm，表面电阻率1.89MΩ·cm2)两片分别与石墨烯掺杂椴木片上下两端贴合，用橡皮筋捆绑固定，将两片碳纤维布通过导线相连，得到海水发电器件。

[0057] 为了证明实施例3的海水发电器件的产电情况，将上述海水发电器件的两片碳纤维布之间通过导线连接电压表后，置于浓度为0.6mol/L的氯化钠盐溶液中，保证器件中碳纤维布与石墨烯掺杂原木片相互贴合的一个端面完全浸没于溶液中，另一端面暴露于空气中，使用电压表记录开路电压，所得结果如图5所示；由图5可以看出，开路电压稳定在15mV。

[0058] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。