[0001]
本发明涉及水伏材料与净水生产材料制备领域，尤其是一种发电与净水生产一体功能区的制备方法。
背景技术：
[0002]
现代入的生活中，最让人感到着急的便是“停水了”、“停电了”，随着全球人口数量增加、水污染问题日益严重和地下水的过度开采，水资源缺乏已成为人类社会面临的主要危机之一。有预测称，到了2025年，世界上将有半数的国家面临淡水资源紧张的严峻形势，而到2050年，世界上75％的人口将面临水资源短缺的困境。水是生命之源，也是社会经济发展与社会进步的物质基础。然而我国水资源匮乏，是世界十三个最缺水的国家之一。水污染严重是造成我国水资源匮乏的主要原因之一。其中，工业废水、城市生活污水、农业污染、城市垃圾等是造成我国水资源污染的主要原因。导致无论是城市还是农村区域的自然河流，其中的水已经没有人直接去饮用。所以，研制有效处理污水的新方法或新型材料与新器件将对解决我国水资源问题具有重大意义。
[0003]
水与能量密切相关，维持着地球系统的能量循环，生物体的温度平衡，是天然的吸能器、储能器、换能器和传能器。太阳辐射到达地表能量的近70％被水吸收，水在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦，比全人类年平均能量消耗功率高出3个数量级。水以热能、动能的形式存储所吸收的热量，更以蒸发、凝结、形云布雨、兴风作浪的形式，把存储的太阳能转化成机械能等多种形式的能量。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。
技术实现要素：
[0004]
铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。铝颗粒利用等离激元效应吸收光照加热水，不同于传统的体加热，可以在铝颗粒的周围产生局域的高温，加热溶液产生蒸汽，达到更快速蒸发的效果。石墨烯可通过双电层理论和电动理论描述的机制捕获雨水、水流、波浪等液态水能，如波动生电、射流生电、液滴生电、蒸发生电、湿度生电等。铝是活泼金属，在干燥空气中铝的表面立即形成透明的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水。氧化铝有较好的耐热稳定性和良好的耐化学腐蚀性能，氧化铝纳米颗粒在水溶液中表面会形成羟基，使表面带有丰富的正电荷。有水从孔隙通道
中流过时，孔道表面将会带有丰富的正电荷，因此在致密氧化膜表面将会形成双电层，在流动液体的带动下，阴离子将会在水流方向富集，形成离子浓度差，进而产生流动电压和流动电流。
[0005]
本发明采用如下技术方案：
[0006]
一种发电与净水生产一体功能区的制备方法，包括如下步骤：
[0007]
(1)将羧基化石墨烯分散液和氧化铝纳米纤维分散液混合得到混合液，将所述混合液置入预定容器中，并将所述预定容器的底部与冷源接触进行方向自下而上的定向冷冻，得到垂直取向的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列，对垂直取向羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列进行冷冻干燥；
[0008]
(2)对所述冷冻干燥之后的垂直取向羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列上部进行还原处理，得到石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列；
[0009]
(3)将复合膜阵列整体加热固化，使蒸发区下部的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列浸入水中结构稳定不变；
[0010]
(4)将复合膜阵列下部的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列浸入氨基化细菌纤维素溶液中，加热并搅拌，使氨基化细菌纤维素进入通道内，氨基与羧基发生反应，形成稳定的网络结构；
[0011]
(5)将复合膜阵列整体浸入含有铝颗粒的溶液，搅拌，使铝颗粒填满复合膜阵列的通道，烘干；
[0012]
(6)在复合膜阵列的底部与顶部区域分别添加防水电极与导线，在顶部上方添加水蒸气的收集装置。
[0013]
步骤(1)中的羧基化石墨烯分散液浓度为1-10mg/ml，氧化铝纳米纤维分散液浓度为2-10mg/ml，氧化铝纳米纤维的直径为50-1000nm，羧基化石墨烯分散液与纳米纤维分散液的质量比为1∶(0.1～10)，定向冷冻的温度为-196℃～-50℃，时间为10-30分钟，冷冻干燥的温度为-54℃～-48℃，时间为36-72小时。
[0014]
步骤(2)中的还原处理中还原剂为水合肼，还原时间为1-24小时，还原处理部位为上部，长度占羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列的3/4-7/8。
[0015]
步骤(3)中复合膜阵列整体置于60-200℃温度下加热2-24小时，使复合膜阵列结构固化，复合膜阵列下部的羧基化石墨烯/纳米纤维复合膜阵列浸入水中结构稳定不变，复合膜阵列的通道宽度为20-300μm。
[0016]
步骤(4)中氨基化细菌纤维素直径为10-1000nm，长度为10-500μm，加热温度为80-90℃，时间为0.5-4小时，采用领域内常规做法制备。
[0017]
步骤(5)中的铝颗粒平均尺寸为20nm-50μm，溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，搅拌时间为1-24小时，烘干燥时间为0.5-2小时，烘干温度为20-80℃。
[0018]
步骤(6)中的防水电极与导线用于收集复合膜阵列底部与顶部电荷差异带来的电能，水蒸气收集装置用于收集净水，采用领域内常规做法制备。
[0019]
本发明具有如下优势：
[0020]
(1)本发明所述方法制备的发电与净水生产一体功能区能够依靠水蒸发导致的水流定向移动自发产生电能，发电方式高度自发，受环境限制少，具备高的能量输出，并且能够长时间维持，适用于多种应用场景，用海水进行蒸发发电时，可以生产淡水。
[0021]
(2)采用纳米铝颗粒利用等离激元效应吸收光照加热水，可以在纳米铝颗粒的周围产生局域的高温，加热溶液产生蒸汽，达到更快速蒸发的效果，尤其是顶部及外部的纳米铝颗粒可以直接接收到阳光照射，使水流加速流向顶部，提升器件的产电输出功率和淡水产出。
[0022]
(3)复合膜阵列上部的石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列有效的提高蒸馏效率，缩短蒸馏时长。
[0023]
(4)复合膜阵列下部的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列用于汲取水流及牢牢抓住水面，可以充分利用水的界面张力，防止装置剧烈摆动以及侧翻，具备了防风浪与湍流的能力；羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列能够迅速充分吸收水分进入毛细管道，送入顶部的石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列用于蒸馏。
[0024]
(5)氧化铝纳米纤维使得复合膜阵列可被压缩、弯曲和拉伸，保持其结构不被破坏。
[0025]
(6)复合膜阵列避免了石墨烯本身二维材料堆叠带来的弊端，水流方向沿着石墨烯延伸方向，避免了颗粒结构中水流方向混乱导致电荷抵消情况的大量发生。
[0026]
(7)氨基化细菌纤维素可以使铝颗粒稳定存在于复合膜阵列的通道内。
[0027]
(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。
附图说明
[0028]
图1为垂直取向的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列示意图，1为羧基化石墨烯，2为氧化铝纳米纤维，3为复合膜阵列的通道。
[0029]
图2为复合膜阵列示意图，4为石墨烯。
[0030]
图3为细菌纤维素处理过的复合膜阵列示意图，5为细菌纤维素。
[0031]
图4为铝颗粒填充后的复合膜阵列示意图，6为铝颗粒。
具体实施方式
[0032]
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。
[0033]
实施例1
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(1)将浓度为2mg/ml羧基化石墨烯分散液和浓度为2mg/ml氧化铝纳米纤维分散液混合得到混合液，氧化铝纳米纤维的直径为100nm，羧基化石墨烯分散液与纳米纤维分散液的质量比为1∶1。
[0035]
(2)将所述混合液置入聚四氟乙烯容器中，并将容器的底部与液氮接触，时间为30分钟，得到垂直取向的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列，对垂直取向羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列进行冷冻干燥，时间为36小时。
[0036]
(3)将垂直取向羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列上部，长度占复合阵列总长3/4，浸入水合肼溶液，还原2小时，得到石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列。
[0037]
(4)将复合膜阵列整体置于马弗炉加热，温度为100℃，时间为2小时。
[0038]
(5)将复合膜阵列下部的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列浸入氨基化细菌纤维素溶液中，氨基化细菌纤维素直径为10-1000nm，长度为10-500μm，加热并搅拌，温
度为80℃，时间为2小时。
[0039]
(6)将复合膜阵列整体浸入含有铝颗粒的乙醇溶液，搅拌2小时，取出后烘干，时间为1小时，温度为60℃。
[0040]
(7)在复合膜阵列的底部与顶部区域分别添加防水电极与导线，在顶部上方添加水蒸气的收集装置。
[0041]
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。
技术特征：
1.一种发电与净水生产一体功能区的制备方法，包括如下步骤：(1)将羧基化石墨烯分散液和氧化铝纳米纤维分散液混合得到混合液，将所述混合液置入预定容器中，并将所述预定容器的底部与冷源接触进行方向自下而上的定向冷冻，得到垂直取向的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列，对垂直取向羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列进行冷冻干燥；(2)对所述冷冻干燥之后的垂直取向羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列上部进行还原处理，得到石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列；(3)将复合膜阵列整体加热固化，使蒸发区下部的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列浸入水中结构稳定不变；(4)将复合膜阵列下部的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列浸入氨基化细菌纤维素溶液中，加热并搅拌，使氨基化细菌纤维素进入通道内，使氨基与羧基发生反应，形成稳定的网络结构；(5)将复合膜阵列整体浸入含有铝颗粒的溶液，搅拌，使铝颗粒填满复合膜阵列的通道，烘干；(6)在复合膜阵列的底部与顶部区域分别添加防水电极与导线，在顶部上方添加水蒸气的收集装置。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的羧基化石墨烯分散液浓度为1-10mg/ml，氧化铝纳米纤维分散液浓度为2-10mg/ml，氧化铝纳米纤维的直径为50-1000nm，羧基化石墨烯分散液与纳米纤维分散液的质量比为1∶(0.1～10)，定向冷冻的温度为-196℃～-50℃，时间为10-30分钟，冷冻干燥的温度为-54℃～-48℃，时间为36-72小时。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的还原处理中还原剂为水合肼，还原时间为1-24小时，还原处理部位为上部，长度占羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列的3/4-7/8。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的复合膜阵列整体置于60-200℃温度下加热2-24小时，使复合膜阵列结构固化，复合膜阵列下部的羧基化石墨烯/纳米纤维复合膜阵列浸入水中结构稳定不变，复合膜阵列的通道宽度为20-300μm。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中的氨基化细菌纤维素直径为10-1000nm，长度为10-500μm，加热温度为80-90℃，时间为0.5-4小时，采用领域内常规做法制备。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中的铝颗粒平均尺寸为20nm-50μm，溶剂为甲醇、乙醇或去离子水，搅拌时间为1-24小时，烘干燥时间为0.5-2小时，烘干温度为20-80℃。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中的防水电极与导线用于收集复合膜阵列底部与顶部电荷差异带来的电能，水蒸气收集装置用于收集净水，采用领域内常规做法制备。
技术总结
本发明提供一种发电与净水生产一体功能区的制备方法，将垂直取向的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列部分还原，并在上部通道填充铝颗粒，在下部通道复合氨基化细菌纤维素，获得发电与净水生产一体功能区。本发明所述方法制备的功能区能够依靠水蒸发导致的水流定向移动自发产生电能，铝颗粒利用等离激元效应达到更快速蒸发的效果，复合膜阵列上部的石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列有效的提高蒸馏效率，缩短蒸馏时长，复合膜阵列下部的羧基化石墨烯/氧化铝纳米纤维复合膜阵列用于汲取水流及牢牢抓住水面，具备了防风浪与湍流的能力。能力。能力。
技术开发人、权利持有人：苗中正 吴昊
