能源问题是未来发展的重中之重,在优化能源结构及节能减排的“双碳”国家战略背景之下,煤炭在一次能源中的比重逐年下降,清洁能源的比重则逐年上升。水蒸发是自然界时刻都在发生的一种现象,其驱动力是材料从周围的环境吸收热能并将显热转化为水蒸发的潜热,以此为基础的水伏发电有很大的发展潜力。盐差能则是两种含盐浓度不同的溶液之间的化学电位差能,在自然界中主要存在于淡水河流的入海口,是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。以水伏发电和盐差发电为代表的水驱动化学发电技术,适用于不同环境条件下的发电需求,在世界范围内备受关注,其中,创制新结构高性能的碳材料并构筑柔性的碳基水伏发电器件,是一个重要的方向。对盐差发电器件而言,目前突出的问题是能量效率较低。针对制约水驱动化学发电的这些问题,本文致力于新型材料的制备方法及其水驱动化学发电性能的研究,期望为高性能发电核心材料的设计和构筑提供新的思路。本文的主要研究内容如下:(1)杉木是一类价廉易得、分布广泛的生物质资源。以杉木为原料,用化学活化法制备了杉木基活性炭,并用表面活性剂CTAB对杉木基活性炭改性处理,提升其亲水性;将改性处理的杉木基活性炭负载在纤维结构紧密的羊毛毡基底上,构筑了杉木基活性炭水伏发电器件。在室温和30%空气相对湿度下,该水伏发电器件的开路电压为0.38 V,短路电流为5.8μA。通过调节器件的体积电阻,开路电压可以进一步提高到0.6V,短路电流提高到60μA。考察了温度、湿度和风速等环境条件对器件发电性能的影响规律,发现在一定范围内升高温度、降低湿度及提高风速有利于提升器件的水伏发电性能。对碳基水伏发电器件,发现通过改变盐溶液的种类和浓度,有助于提升杉木基活性炭水伏发电器件的性能,当滴加1.2 M的Mg Cl2溶液时,开路电压提高到0.59 V,短路电流提高到62μA。通过5个单元的器件串并联连接,开路电压可提高到2 V,短路电流则提高到42μA,可以成功点亮红色LED灯。(2)采用真空过滤方法,基于纯MXene或PEDOT:PSS/MXene混合物,在过滤膜上直接形成连续、致密的导电膜;裁取直径为1 cm的圆片,组装成浓差电容器并测试了其盐差发电性能。发现当加入PEDOT:PSS的质量分数为20 wt%时,浓差电容器的盐差发电性能最佳;未经预充电处理时,采用阴离子交换膜组装的浓差电容器的浓差响应电压达290 m V,短路峰电流达8 m A cm-2。在连接外部负载下,最大平均功率密度达1018m W m-2。
