基于碳材料的水蒸发诱导发电界面调控及其机理研究

发布时间：2020-08-19 17:03

【摘要】：不断寻找和发展新的可再生能源方式逐步取代高污染且日渐枯竭的化石能源,是当前也是未来人类社会发展中关注度最高的问题之一。随着近些年科学技术的快速发展,尤其是纳米技术的出现,为新能源材料科学的发展提供了更多新的可能性。过去的几十年间,碳纳米管,石墨烯,碳纳米颗粒等新兴低维碳纳米材料以其独特的物理化学特性得到了快速的发展,很快成为能量转换与存储领域中的热门材料。从2001年被首次理论预测和2003年首次得到实验验证后,一种利用碳纳米材料与流体界面的相互作用发电的新现象在这十几年时间引发了科学界广泛的研究兴趣并取得了许多进展,相继发现了越来越多新的能量转换现象并提出了新的理论。然而大多数的研究还存在以下三大问题:(1)多数基于碳材料与流体界面相互作用的发电现象仍然需要额外的机械能输入来提供流体流动所需的动能;(2)目前已发现的大多数现象所能提供的电能比较微弱,碳材料中引发的电压通常仅在微伏或毫伏量级,严重限制了其可应用范围;(3)对于目前已报道的许多通过碳材料-流体界面相互作用发电现象仅停滞在现象学研究上,其发电机理研究还存在诸多争议和未知。从这个能量转换现象中找出其清晰的物理化学图像,将是一个具有重要科学意义和富有挑战性的研究课题。因此,基于上述问题,本论文的主要研究内容概述如下:1.通过实验发现了基于火焰法制备得到的多孔碳膜在水中蒸发诱导发电的现象,在室温环境下其电压可达1 V且持续超过160小时。针对该蒸发引起的能量转换现象,探究了其发电电压与环境温度,相对湿度和空气流动速率等影响因素之间的关系,总结了影响其发电性能的一般规律。通过印刷法制备了具有更高机械强度的多孔碳膜,并进一步通过对亲水碳膜中引入部分超疏水区域制造亲疏水界面,实现了器件液滴发电的功能,实验发现液滴蒸发诱导发电过程中产生的电压方向与液体流动方向具有相关性。在同一片多孔碳膜上,通过合理的亲疏水界面设计,利用多个液滴即可实现同一片碳膜上多段蒸发诱导电压和电流叠加,仅使用12个2微升的水滴即可实现高达5.2 V的电压输出,足以点亮一个小型LCD显示器。基于该器件展示出的独特性,为蒸发诱导发电器件在环境能量转换和自供能传感等领域的应用提供了更多可能性。2.经过进一步的工艺优化,制备得到了具有自支撑结构的蒸发诱导发电碳膜;通过液相化学修饰对碳纳米颗粒的表面改性,可实现器件的开路电压从-3 V到3 V内的调节,并对修饰条件中修饰分子的种类以及浓度等对器件输出电压的影响进行了探究。两片尺寸为5 cm×5 cm分别带有相反电荷种类的发电碳膜在使用中可以进行组合串联,并实现5 V的开路电压和1.5μA的短路电流输出。进一步将碳膜与由碳纳米管构成的微型超级电容器进行集成,制备出了兼具发电和储能功能的一体化器件。该器件具有两种工作模式,在室温条件下可直接实现低电流高电压持续供能,也可通过内置的超级电容器提供间歇式高功率供能。3.通过对多孔碳膜中蒸发诱导发电现象的能量转换过程进行分析,找到机理研究中核心的问题在于如何解释多孔碳膜内部孔道中流动溶液如何将动能转化为电能这一过程。总结并详细对比了目前已有碳材料与流体相互作用发电的相关研究结果,通过一系列验证性实验和相关的理论解释,最终提出了一种可较为全面地解释多孔碳膜中水蒸发诱导发电的机理,该机理模型基于流动的水溶液在碳纳米颗粒表面的动电现象,通过稳态时紧密层的水合离子运动对碳黑内部载流子形成“棘轮水车”的输运模型,使载流子在碳黑中发生定向运动,进而形成了持续的电流和电压。该理论模型为将来对该现象继续进行性能优化及拓展应用提供了一定的理论指导依据。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ127.11;TM61
【图文】：

世界能源,概况

世界能源消耗速率呈指数形式上升(图1-1a)[1]。埋藏在地下的煤炭，石油和天然气等自然资源，仅经过工业革命后短短两个多世纪的使用就已进入耗竭倒计时，但人类社会的发展速度仍然在不断加速，对各类能源，尤其是电力的需求增长迅猛。直到目前，全球仍有接近八成能源来自化石燃料(图 1-1b)[1]。因此，在全球能源进入危机时刻的大背景下，寻找新的能量转换方式来取代传统化石能源成为了全世界科学家们正在全力以赴的研究方向。图 1-1 世界能源消耗概况[1]。(a) 1800 - 2006 年世界总能量消耗统计曲线；(b) 2016 年全世界全年能源消耗中各种能源类型所占比例分布情况。

示意图,可再生能源,全球

再生能源发展。(a) 正在发展中的新型能源种类示意图；(b) 2007-20总装机量发展情况。科学的快速发展以及工程技术的不断革新，人类渐渐利用起能源，如太阳能、水能、风能、地热能以及新型生物质能等石能源在使用过程中伴随着大量的碳排放以及环境污染等问有利于人类社会的可持续发展。1987 年 2 月联合国在东京召

双电层,模型

图 1-3 双电层理论的发展[43]。(a) Helmholtz 模型；(b) Gouy-Chapman 模型；(c) Stern 模型和 (dBDM 模型双电层的结构示意图及表面电势随距离变化示意图。OHP:OuterHelmholtzplane；IHPInner Helmholtz planeGouy 于 1910 年及 Chapman 于 1913 年先后续补充了 Helmholtz 的理论模型，并发现了双电层电容会随电极上的偏压以及离子浓度变化而变化，进而提出了“GouyChapman”模型来描述双电层(图 1-3b)。该模型认为溶液中的离子分布并非只有靠近固相界面处一层紧密堆积的离子，而是从固液界面到溶液本体的离子按照“MaxwellBoltzmann”分布排列的(式 1-1)，并引入了扩散层(diffuse layer)的概念。该式为距离固液界面处一定距离，电势为 ψ 的区域内的 i 离子的浓度 ni的分布。其中 0为溶液体相离子浓度，e 为电子电荷，zi为 i 离子价态，kB为玻尔兹曼常数，T = 0exp( ) (1-1)

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