一种氧化铝基水伏发电机功能区的制备方法

技术领域

本发明涉及水伏发电机制备领域，尤其是一种氧化铝基水伏发电机功能区的制备方法。

背景技术

传统的水能利用模式受自然条件的限制大，容易被地形、气候等外部因素所影响，大型设施设备的建造和使用容易导致生态破坏和成本提升。纳米材料具有显著的量子效应和表面效应，可与各种形式的水发生耦合而输出显著的电信号，如石墨烯可通过双电层的边界运动将拖动和下落水滴的能量直接转化为电能、也可将海水波动能转化为电能。碳黑等纳米结构材料可通过大气环境下无所不在的水的自然蒸发，持续产生伏级的电能。这类直接转化水能为电能的现象称为“水伏效应”。水伏效应为全链条式捕获地球水循环的水能开辟了全新的方向，提升了水能利用能力。

水伏效应的研究刚刚起步，需要开发应用环境多样化、能量转化高效、发电成本低廉的新型水伏材料与器件。大多数水伏发电装置没有摆脱蒸发发电模式，薄膜需尽量做薄，只能利用周围环境热量，且仅能借助毛细力与蒸发腾出的空位驱动液体流动，导致发电效率难以进一步提升。

发明内容

本发明提出一种利用水伏效应进行发电的“水伏发电机”，用以代替传统的水力发电机的功能与位置，为水能应用提供新的形式。“水伏发电机”利用的能量形式是传统的水的重力势能，并非毛细力与蒸发所带动的“水伏电池”中所利用的环境热量，驱动力为重力与毛细力。因此，“水伏发电机”利用的能量密度要远远高于“水伏电池”，其输出功率存在几个数量级提升的可能性，并且在形式上可以更加多样化，结构受限更少，发电通道可以做得更长，发电功能区可以做得更厚，克服了蒸发与毛细力的限制，在工业应用上具备更大优势。“水伏发电机”的发电原理为水伏效应，并非传统水力发电机利用水的机械能带动磁感线的切割产生电能。“水伏电池”在形式上更接近于传统的化学电池，而本发明提出的“水伏发电机”利用能量的形式更接近于传统的水力发电机。另外，毛细通道有效利用了伯努利原理，微观上水流移速极快，狭窄的通道可以使定量的水在更长时间内工作。

本发明采用如下技术方案：

一种氧化铝基水伏发电机功能区的制备方法，包括如下步骤：

(1)将乙基纤维素、氧化铝纳米颗粒和氧化铝纳米纤维放入无水乙醇中加热搅拌，获得均匀的浆料；

(2)将浆料放入固定的氧化铝陶瓷模型中，在两端安置并固定好折叠电极；

(3)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，自然冷却至室温，得到氧化铝基水伏发电机功能区；

(4)将氧化铝基水伏发电机功能区取出，除顶端及底端外，在功能区四周涂覆密封层。

步骤(1)中的氧化铝纳米颗粒与氧化铝纳米纤维的质量比例为1∶0.01-1∶100，氧化铝纳米颗粒与乙基纤维素的质量比例为1∶0.1-1∶20，氧化铝纳米颗粒与无水乙醇的质量比例范围为1∶1-1∶200，氧化铝纳米颗粒平均尺寸为20nm-50μm，氧化铝纳米纤维直径为10-1000nm，长度为10-500μm，加热温度为20-80℃，搅拌时间为0.5-12h。

步骤(2)中的氧化铝陶瓷模型呈立方体状，顶端开口，折叠电极为石墨、石墨烯、碳纳米管或导电碳纤维材料构成的薄膜，薄膜厚度为10nm-1mm，电极呈折叠状，电极整体的长度与宽度对应于氧化铝陶瓷模型的内部长度与内部宽度，折叠电极相邻顶点间距为1mm-1cm，折叠电极具有引出端，用于电能输出。

步骤(3)中退火温度为150-450℃，退火时间在30min-24h。

步骤(4)中密封层采用硅酮密封胶或有机硅胶粘剂防止水分子从四周渗出，顶部的去离子水在重力作用下通过氧化铝基水伏发电机功能区从底部流出。

本发明具有如下优势：

(1)本发明方法制备的水伏发电机能够依靠水流定向移动产生电能，用以代替传统的水力发电机的功能与位置，为水能应用提供新的形式。

(2)水伏发电机利用的能量形式是传统的水的重力势能，并非毛细力与蒸发所带动的水伏电池中所利用的环境热量，因此，水伏发电机利用的能量密度要远远高于水伏电池，结构受限更少，发电通道可以做得更长，发电功能区可以做得更厚，克服了蒸发与毛细力的限制，在工业应用上具备更大优势。

(3)水伏发电机的驱动力为重力与毛细力的叠加，水分子在氧化铝基水伏发电机功能区中的运行速度快于蒸发发电形式的水伏电池，发电效率大大提升。

(4)折叠电极可以大大提高电荷收集效率。

(5)纳米纤维与纳米颗粒的钢筋混凝土结构使得水伏发电机功能区的机械性能优良。

(6)氧化铝纳米颗粒与氧化铝纳米纤维的水伏效应显著，相辅相成。

(7)毛细通道有效利用了伯努利原理，微观上水流移速极快，狭窄的通道同样可以控制水流量，可以使定量的水在更长时间内工作发电。

(8)本发明所述方法制备工艺简单，所用材料易得，对设备的要求较低，易于工业化。

附图说明

图1为水力发电机截面示意图，1为入水区，2为折叠电极，3为氧化铝纳米颗粒，4为氧化铝纳米纤维，5为密封层，6为出水口。

图2为电极仰视示意图，2为折叠电极，5为密封层，6为出水口，7为折叠电极的折叠结构，为了清楚地展现折叠电极结构，省略了出水口处的氧化铝纳米颗粒与纳米纤维。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

(1)将质量比为1∶10∶4∶20的乙基纤维素、氧化铝纳米颗粒、氧化铝纳米纤维与无水乙醇中混合并加热搅拌，温度为80℃，时间为2小时，获得均匀的浆料，氧化铝纳米颗粒平均尺寸为100nm，氧化铝纳米纤维直径为20nm，长度为20-200μm。

(2)将浆料放入顶端开口的立方体状的氧化铝陶瓷模型中，在两端安置并固定好石墨烯基折叠电极，石墨烯薄膜的厚度为100nm，电极呈折叠状，折叠电极相邻顶点间距为10mm，电极整体的长度与宽度对应于氧化铝陶瓷模型的内部长度与内部宽度，折叠电极具有引出端，用于电能输出。

(3)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度为370℃，时间为2小时，自然冷却至室温，得到氧化铝基水伏发电机功能区。

(4)将氧化铝基水伏发电机功能区取出，除顶端及底端外，在功能区四周涂覆硅酮密封胶，防止水分子从四周渗出，顶部的去离子水在重力作用下通过氧化铝基水伏发电机功能区从底部流出。

实施例2

(1)将质量比为1∶10∶4∶20的乙基纤维素、氧化铝纳米颗粒、氧化铝纳米纤维与无水乙醇中混合并加热搅拌，温度为80℃，时间为2小时，获得均匀的浆料，氧化铝纳米颗粒平均尺寸为100nm，氧化铝纳米纤维直径为20nm，长度为20-200μm。

(2)将浆料放入顶端开口的立方体状的氧化铝陶瓷模型中，在两端安置并固定好碳纳米管基折叠电极，石墨烯薄膜的厚度为100nm，电极呈折叠状，折叠电极相邻顶点间距为10mm，电极整体的长度与宽度对应于氧化铝陶瓷模型的内部长度与内部宽度，折叠电极具有引出端，用于电能输出。

(3)将填满浆料的氧化铝陶瓷模型放入马弗炉中，在空气氛围中退火，温度为370℃，时间为2小时，自然冷却至室温，得到氧化铝基水伏发电机功能区。

(4)将氧化铝基水伏发电机功能区取出，除顶端及底端外，在功能区四周涂覆硅酮密封胶，防止水分子从四周渗出，顶部的去离子水在重力作用下通过氧化铝基水伏发电机功能区从底部流出。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。