一种用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法及应用

本发明属于水伏发电，具体涉及一种用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法及应用。

背景技术：

1、在当前全球面临能源危机的背景下，传统能源资源的枯竭和环境污染问题日益凸显。我们迫切需要寻找可持续、清洁的能源解决方案来满足日益增长的能源需求。水是地球上最丰富的资源之一，而对水能的利用一直被视为推动能源转型的重要途径之一。我们可以利用水的动力，如雨滴、波浪、水流等，将其转化为可用的电能。近年来，水伏发电技术作为一种新型的水能利用方式，引起了广泛关注。水伏发电技术能够利用功能材料与环境中水分的相互作用实现电能的输出，具有体积小、结构简单、无污染等优点。与传统能源收集技术相比，水伏发电技术无需依赖外部能源输入，具有独特的优势和潜力，被认为是新一代绿色能源技术的有力竞争者。

2、2017年，南航郭万林团队首次报道了一种基于多孔碳膜的水伏发电器件，开辟了水蒸发发电技术的先河。此后，基于蒸发驱动水伏的纳米材料相关研究取得了长足进展。研究表明，用于水蒸发发电的理想材料应具有高比表面积、亲水性、带电表面和丰富的通道等特性。碳材料，半导体材料，固体氧化物和生物质材料等均已经被证实可以用于水蒸发发电。作为一种n-型半导体材料，纳米二氧化钛表面具有超亲水性，在水溶液中表面带负电荷，这些特性使其具有作为水伏发电材料的潜力。目前已经有许多基于二氧化钛水蒸发发电的研究，如二氧化钛纺织物、二氧化钛球体颗粒等均已被用于水蒸发发电的研究中。然而，现有的基于二氧化钛的水蒸发诱导发电器件所用的纳米线、纳米片等制备难度较大，且二氧化钛本身载流子迁移率较低，导致其输出功率较小，阻碍了进一步的发展。

3、因此，开发用于水伏发电的新材料并在此基础上构筑水伏发电器件，提高其发电性能，对基于二氧化钛的水伏发电具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法及应用，二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶具有多孔结构，通过水分子和纳米孔道之间特殊的相互作用，可以在水分吸附-蒸发过程中诱导电压和电流产生，将周围环境的热能转化为电能。

2、为了实现以上目的，本发明的技术方案之一为：一种用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：

3、(1)将丙烯酰胺单体、二氧化钛纳米颗粒、去离子水按照质量比混合均匀，再加入交联剂和引发剂，充分搅拌得到混合溶液；

4、(2)将步骤(1)得到的混合溶液进行交联，得到二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶。

5、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中作为水伏发电功能材料的二氧化钛纳米颗粒的粒径为10-20nm，晶型为金红石型。

6、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中丙烯酰胺单体、二氧化钛纳米颗粒、去离子水的质量比为2-4:0.5-1.5:15-25，交联剂与引发剂的质量比为4-6:1，交联剂与引发剂的添加总量为二氧化钛纳米颗粒的0.4-0.8wt％。

7、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂为过硫酸铵。

8、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中交联温度为80-120℃，交联时间为20-40min。

9、为了实现以上目的，本发明的技术方案之二为：一种用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法制得的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶。

10、为了实现以上目的，本发明的技术方案之三为：一种水伏发电器件，包含上述二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶。

11、为了实现以上目的，本发明的技术方案之四为：一种水伏发电器件的应用。

12、为了实现以上目的，本发明的技术方案之五为：一种水伏发电器件的制备方法，具体包括如下步骤：

13、(1)对二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶进行裁剪，并在其中一面滴加licl溶液；

14、(2)使用钛网作为电极，并使用绝缘胶带限定其范围，然后将二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶放置在钛网上方；再取一片钛网电极覆盖在二氧化钛/聚丙烯酰胺水凝胶上作为顶部电极。

15、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中二氧化钛/聚丙烯酰胺水凝胶尺寸为0.25-100cm2。

16、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中licl溶液质量分数为5-15wt％，licl溶液滴加量为30-50μl/cm2。

17、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中作为电极的钛网目数为100，丝径为0.10mm，孔径为0.15mm。

18、为了实现以上目的，本发明的技术方案之六为：一种水伏发电器件的性能表征方法，具体包括以下步骤：

19、(1)在直径为35-100mm的六孔板内注入去离子水，然后使用胶带将孔板密封，以模拟高湿度环境；

20、(2)在密封的胶带表面开一个小孔，将水伏发电器件置于小孔之上进行性能测试。

21、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中孔板内部的相对湿度在95％以上。

22、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中环境温度为23～25℃，环境的相对湿度为55％～60％。

23、在本发明一较佳实施例中，所述步骤(2)中小孔的尺寸为0.25-100cm2。

24、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

25、1.本发明制得的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶用于制备水伏发电器件，制得的水伏发电器件可以将水能转化为电能，输出性能优越；该器件优越的电能输出归因于二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的内在特性，如亲水性，多孔结构，以及非零zeta电位等，通过附有二氧化钛的水凝胶纳米孔道的离子选择性，在水流经过纳米孔道时实现正负离子的分离，从而实现水能到电能的转化。

26、2.本发明的水伏器件性能表征方法，提高了水伏器件的发电性能；通过网状电极的应用以及两端湿度梯度的构建，使得水分能够在水凝胶纳米孔道内持续流动，实现了电压和电流的持续、高效输出。

27、3.本发明克服了现有技术存在的缺陷，利用商业化的二氧化钛纳米颗粒，通过简单而经济高效的制造工艺，成功制备了水伏发电器件；相比其他复杂的制备方法，本发明的工艺流程简单明了，能够提高生产效率、降低成本，使得大规模生产成为可能。

28、4.本发明扩展了水伏器件的实际应用场景，制得的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶水伏发电器件在湖水及海水等复杂水环境中仍可以保持较高的电压和电流输出，并且具有作为电源的应用潜能，具有较高的实际应用价值。

技术特征：

1.一种用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中二氧化钛纳米颗粒的粒径为10-20nm，晶型为金红石型。

3.如权利要求1所述的用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中丙烯酰胺单体、二氧化钛纳米颗粒、去离子水的质量比为2-4:0.5-1.5:15-25，交联剂与引发剂的质量比为4-6:1，交联剂与引发剂的添加总量为二氧化钛纳米颗粒的0.4-0.8wt％。

4.如权利要求1所述的用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中交联温度为80-120℃，交联时间为20-40min。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法制得的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶。

6.一种水伏发电器件，包含如权利要求5所述的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶。

7.一种如权利要求6所述的水伏发电器件的应用。

8.一种如权利要求6所述的水伏发电器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中二氧化钛/聚丙烯酰胺水凝胶裁剪的尺寸为0.25-100cm2，licl溶液质量分数为5-15wt％，licl溶液滴加量为30-50μl/cm2。

10.一种如权利要求6所述的水伏发电器件的性能表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明属于水伏发电技术领域，具体公开了一种用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法及应用，其中用于水伏发电的二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：(1)将丙烯酰胺单体、二氧化钛纳米颗粒、去离子水按照质量比混合均匀，加入交联剂N,N'‑亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸铵，充分搅拌得到混合溶液；(2)将步骤(1)得到的混合溶液进行交联，得到二氧化钛/聚丙烯酰胺复合水凝胶。本发明利用二氧化钛纳米颗粒，通过简单而经济高效的制造工艺，成功制备了水伏发电器件；相比其他复杂的制备方法，本发明的工艺流程简单明了，能够提高生产效率、降低成本，使得大规模生产成为可能。技术研发人员：李剑锋,李淑敏,王耀辉受保护的技术使用者：厦门大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12