纳米多孔界面离子传输与能量转换

发布时间：2020-06-07 23:26

【摘要】：化石能源的快速消耗不仅加剧了能源危机,同时也造成了严重的环境污染,因此为了人类的可持续发展,亟需开发新型可再生能源技术。纳米多孔材料展现出特殊的界面效应和现象,可以用来收集环境中各种分布式能量,如热能、海洋能和机械能等,这为新能源技术的发展提供了契机。本论文首先综述了纳米材料界面特殊的结构和物理化学性质以及界面相关的理论,重点介绍了基于界面离子传输的能量转换最新研究进展。利用纳米孔道离子选择性和固液界面载流子协同传输机制实现的盐差发电和动电转换技术系统简单,可实现分布式能量向高品质电能转换,具有广泛的应用前景。然而,目前对新兴的离子与纳米材料表面相互作用的能量转换机理研究还不够深入,缺乏统一的理论体系;系统能量转换效率普遍较低,缺乏对器件集成优化设计和对能量的多效利用。由此可见,基于纳米多孔材料界面离子运动的能量转换的基础研究工作仍然面临诸多挑战。针对以上问题,本论文研究内容如下:1.纳米多孔碳膜的水蒸气吸附电势:发现并揭示了纳米多孔碳膜的水蒸气吸附电势现象。官能团梯度分布的纳米多孔碳膜在高湿度环境下吸附水蒸气后,碳膜两端会产生电压,将环境中的热能转换为电能。通过蒙特卡罗和分子动力学模拟及实验研究,揭示了水蒸气吸附产生电压的主要机理。碳材料表面 COOH上的质子会在高湿度环境下解离进入固液界面的水吸附层,在官能团多的区域的解离质子会在浓度梯度下迁移至官能团少的区域,与质子离开后的 COO~ 形成电势差。器件发电性能可以通过优化尺寸和改进材料提高。这种新型的吸附电势在自驱动能量转换和湿度传感领域有着特殊的优势,同时也为研究吸附现象提供了一个新的视角,具有重要的科学意义和应用价值。2.太阳能海水淡化及光驱动盐差发电:利用具有离子选择性的纳米多孔膜可以用来获取不同浓度盐溶液之间的混合吉布斯能,即盐差发电。现有的盐差发电的研究对象主要集中在江河入海口海水和河水的浓度差,限制了盐差发电的工作地域和输出功率。基于光热转化,首次将海水淡化和盐差发电耦合于同一器件,实现了能量的多级利用。太阳能光热海水淡化过程中水分的快速蒸发产生盐浓度梯度,可以进行盐差发电,获取高品位的电能,为蓝色能源的利用提供了一个新的思路。碳纳米管修饰的滤纸光热转换性能优异,在1 kW m~( 2)光照强度时,光热转换效率可以达到73%。这种盐差发电的设计不仅能突破河流与入海口地域的限制,而且因为热海水与饱和盐水的天然优势而具有更高的发电功率密度。经过优化的器件,在1 kW m~( 2)光照强度下,盐差能的理论功率可以达到12.5 W m~( 2)。这种盐差发电系统很容易实现大规模应用,10 cm×10 cm器件在平均光照强度~0.7 kW m~( 2)的自然光照下,盐差发电输出功率密度约为0.3 W m~( 2)。基于该系统,太阳能海水淡化和盐差发电可以直接在海面上实现,以获取大量的淡水资源和大规模的蓝色能源。3.纳米多孔膜的动电效应及一体化发电储能集成:动电转换电池利用纳米多孔膜的离子选择特性和电极持续的氧化还原反应将流体动能转换为电能,但不具备能量存储功能,需与其他储能装置组成能源管理系统。利用动电效应产生的动电电压给具有电容特性电极充电,将动电转换的电能存储于电容之中,实现了能量转换和存储在同一器件上的集成,为收集低频机械能提供了一个新的方法。碳纳米管修饰钛网电极在2 mV s~( 1)的扫描速度下,器件的面积电容值为2.2 mF cm~( 2),且器件的漏电流很低,可以有效的存储能量。在压力驱动下,动电电容的饱和电荷存储密度可以达到0.4 mC cm~( 2),能量转换效率接近~0.1%,接近于动电电池的能量转换效率,通过改善纳米孔道结构,效率可提升至~0.5%。使用高性能的离子选择性纳米孔道和电容电极材料,可进一步提高系统的能量转换效率。动电电容可以设计成便携式的封闭流动体系,器件串联可以实现高电压的输出,驱动电子元器件。基于纳米多孔材料双电层重叠的动电效应产生的电能,最终存储到多孔电极材料的双电层中,实现了能量转换与存储的一体化集成。
【图文】：

界面现象,双电层,液液界面,固液界面

2见的界面现象：固液界面的双电层、浸润；固气界面的吸附；固固界面的乳化以及液气界面的蒸发、冷凝等。现象吸附：理论与应用8 世纪，C. W. Scheele 和 A. F. Fontana 已经对木炭吸附气体的和研究。19 世纪末，J.W.Gibbs 对经典热力学进行了总结，解问题，，建立了吸附理论的基础。20 世纪中期开始，随着科技表面和吸附的探索逐渐深入，并且对物质的内部结构和吸附现

示意图,吸附模型,吸附势,曲线

界面的吸附可以改变固体表面的性质，因此在实际工作中尤为重要。具有吸附能力的材料称为吸附剂(Adsorbent)，被吸附的物体称为吸附Adsorbate)，一般常用的吸附剂有活性炭和硅胶。根据发生吸附作用时吸附质与吸作用力性质的不同，可以将吸附过程分为物理吸附和化学吸附。物理吸附的吸附分子间的 vanderWaals’力引起的，强度较弱；一般来说，物理吸附不改变物质原性质，因此吸附能小，被吸附的物质也很容易脱离[10]。如用活性炭吸附气体，将升高，就可以使被吸附的物质释放出来。图 1-2a 中曲线 I 为物理吸附，在第一个中形成物理吸附态，吸附热 ΔHp一般在 10-50 kJ mol 1范围之间。化学吸附过程仅存在引力作用，还有化学键的参与，因此吸附能较大，要释放被吸附的物质需高的能量，而且被吸附的物质即使被释放，也已经发生了化学变化，不再是原来质，一般催化剂都是以这种吸附形式参与化学反应[11]。图 1-2a 中曲线 II 为化学，吸附热 ΔHc一般超过 100 kJ mol 1，接近于化学反应热[12]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】