复合膜及其制备方法、发电器件及其制备方法、发电装置

本申请涉及发电，具体地涉及一种复合膜及其制备方法、发电器件及其制备方法、发电装置。

背景技术：

1、随着经济和社会的发展，能源的需求不断增加，而传统化石能源的储量日益枯竭，环境污染等问题也日益凸显。因此，新能源的研究和利用成为当今社会的重要任务之一。

2、水循环是地球上最重要的能量转换过程之一，其吸收和释放的能量巨大，年平均动态吸收和释放能量达到60万亿千瓦。因此，高效地利用水循环的能量潜力成为解决能源危机的一种有前途的途径。各种直接将水能与材料直接相互作用转化为电能的装置被发展出来，这种现象被称为“水伏效应”。

3、随着纳米材料的快速发展，二维材料如氧化石墨烯由于具有较大的比表面积，从而可以提供更大的带电表面，允许通道内通过的净电荷提高，已经实现了大规模制备，是制作水伏发电装置的理想材料。同时通过混入低维材料如多壁碳纳米管使得层间具有更强的支撑性，缓冲性以及相互连接的微通道，以进行充分的离子交换，从而减弱阳离子的静电屏蔽效应，通过较为成熟的沉积技术，上述低维材料复合物膜，通过喷涂、自组装、抽滤等技术，可以组装或与其它材料复合为薄膜，为规模化生产水伏材料和制作水伏装置提供可能。

4、在这些设备中，水流产生的流动电位是关键因素，但在高盐度的条件下，高浓度盐离子会屏蔽表面电荷从而降低流动电势产生的水伏性能。因此，水伏发电领域的主要挑战是同时目前的水伏器件无法大范围应用于复杂的工作环境，尤其是在高盐度的海水条件下，器件机械稳定性差，导致器件可靠性差。同时，由于水伏器件的尺寸，大小，制作方式，存在状态不能得到统一规范，甚至很多器件的制备非常困难,这导致当前的水伏器件仍缺少一种功能集成化的水伏系统设计方案，无法提升空间、时间利用效率，这些极大的限制了水伏效应在水循环全环节能量收集方面的优势发挥。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，提出了一种复合膜以及包括该复合膜的发电器件。所述发电器件能够在海水等盐水环境下直接应用，转化水动能为电能，产生高能量密度的电能输出。

2、本申请还提供一种复合膜的制备方法以及一种发电器件的制备方法。

3、本申请还提供一种包括该发电器件的发电装置。

4、本申请提供一种复合膜。所述复合膜包括第一组分和第二组分，所述第一组分包括氧化石墨烯和过渡金属碳化物纳米片的至少一种，所述第二组分包括多壁碳纳米管和芳纶纳米纤维的至少一种。

5、在一种可能的实施方式中，所述第二组分和所述第一组分的质量比为1:1～1:10。

6、在一种可能的实施方式中，所述复合膜的电阻为10-600000千欧。

7、本申请还提供一种复合膜的制备方法，包括如下步骤：

8、提供第一分散液，所述第一分散液包括第一组分和水，所述第一组分包括氧化石墨烯和过渡金属碳化物纳米片的至少一种；

9、将第二组分均匀分散在所述第一分散液中，得到第二分散液，所述第二组分包括多壁碳纳米管和芳纶纳米纤维的至少一种；

10、将所述第二分散液喷涂至基底上，干燥固化所述第二分散液得到所述复合膜。

11、在一种可能的实施方式中，所述第二组分和所述第一组分的质量比为1:1～1:10。

12、在一种可能的实施方式中，所述复合膜的电阻为10-600000千欧。

13、本申请还提供一种发电器件，包括基底、第一电极和第二电极，所述发电器件还包括所述的复合膜，所述复合膜固定于所述基底，沿所述基底的延伸方向，所述复合膜固定于所述第一电极和所述第二电极之间。

14、在一些可能的实施方式中，所述第一电极和所述第二电极的至少一者为金电极、铂电极、ito/pet电极、碳电极、碳纳米管电极中的任意一种。

15、本申请还提供一种发电器件的制备方法，包括如下步骤：

16、提供基板，所述基板包括叠设的基底和导电线路层，所述导电线路层包括第一电极以及与所述第一电极间隔设置的第二电极；

17、提供第一分散液，所述第一分散液包括第一组分和水，所述第一组分包括氧化石墨烯和过渡金属碳化物纳米片的至少一种；

18、将第二组分均匀分散在所述第一分散液中，得到第二分散液，所述第二组分包括多壁碳纳米管和芳纶纳米纤维的至少一种；

19、将所述第二分散液喷涂至露出于所述第一电极和所述第二电极的间隙的所述基底，干燥固化所述第二分散液得到复合膜，以得到所述发电器件。

20、本申请还提供一种发电装置，包括容器和容置于所述容器中的盐溶液，所述发电装置还包括所述的发电器件，至少一部分所述第一电极和部分所述复合膜浸没于所述盐溶液内，所述第二电极和另一部所述复合膜露出于所述盐溶液。

21、在一种可能的实施方式中，所述盐溶液的浓度为0.1mol/l～0.6mol/l。

22、在一种可能的实施方式中，所述盐溶液的溶质可以包括硫酸铝、氯化钠、氯化钙和硫酸钠的至少一种。所述盐溶液的溶剂可以为水。

23、本申请中，第一组分和第二组分的插层作用，使得所述复合膜内包括有序的孔道结构。且同时减弱了离子对于带电表面的屏蔽功能，保证了离子选择性和离子流的定向移动，从而能够维持盐溶液在复合膜中的流动电势。另外，本申请提供的发电器件能够利用盐溶液，例如海水中的盐离子，提高了水伏发电的效率和稳定性。另外本申请可广泛应用于海水淡化、海水能量利用、污水处理等领域。另外，所述发电器件的制备方法利用二维材料的优秀自组装性质喷涂成膜，利用电路图案化的设计实现快速集成。

技术特征：

1.一种复合膜，其特征在于，所述复合膜包括第一组分和第二组分，所述第一组分包括氧化石墨烯和过渡金属碳化物纳米片的至少一种，所述第二组分包括多壁碳纳米管和芳纶纳米纤维的至少一种。

2.如权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述第二组分和所述第一组分的质量比为1:1～1:10。

3.如权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述复合膜的电阻为10-600000千欧。

4.一种复合膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.如权利要求4所述的复合膜的制备方法，其特征在于，所述第二组分和所述第一组分的质量比为1:1～1:10。

6.如权利要求5所述的复合膜的制备方法，其特征在于，所述复合膜的电阻为10-600000千欧。

7.一种发电器件，包括基底、第一电极和第二电极，其特征在于，所述发电器件还包括如权利要求1至3中任意一项所述的复合膜，所述复合膜固定于所述基底，沿所述基底的延伸方向，所述复合膜固定于所述第一电极和所述第二电极之间。

8.一种发电器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.一种发电装置，包括容器和容置于所述容器中的盐溶液，其特征在于，所述发电装置还包括权利要求7所述的发电器件，至少一部分所述第一电极和部分所述复合膜浸没于所述盐溶液内，所述第二电极和另一部所述复合膜露出于所述盐溶液。

10.如权利要求9所述的发电装置，其特征在于，所述盐溶液的浓度为0.1mol/l～0.6mol/l。

技术总结本申请提供一种复合膜。所述复合膜包括第一组分和第二组分，所述第一组分包括氧化石墨烯和过渡金属碳化物纳米片的至少一种，所述第二组分包括多壁碳纳米管和芳纶纳米纤维的至少一种。本申请提供的复合膜减弱离子对于带电表面的屏蔽功能的同时，保证了离子选择性和离子流的定向移动。使得发电装置具有极高的输出性能。本申请还提供一种复合膜的制备方法、一种发电器件以及制备方法和一种发电装置。技术研发人员：丘陵,王文伯,曲欣玥,陈宇聪,殷俊受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院技术研发日：技术公布日：2024/7/25