劉文萍

(中國海洋大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

現(xiàn)在社會發(fā)展對化石燃料的高度依賴對未來低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得能源和環(huán)境負(fù)擔(dān)日益嚴(yán)重。所以，尋求儲存清潔的器件變得越來越重要。到目前為止，許多先進(jìn)的新型能源設(shè)備已經(jīng)可以收集太陽能，化學(xué)能源，風(fēng)能，揮發(fā)物等自然能轉(zhuǎn)化為電能。但是，幾乎所有設(shè)備的總功率輸出都受到地理?xiàng)l件的限制[1]。例如，在直射陽光照射下，光伏發(fā)電可以通過復(fù)雜的光電或光電化學(xué)過程以高功率轉(zhuǎn)換效率將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，但是，在雨天等氣候條件下，功率輸出幾乎為零。東南亞和南美地區(qū)雨水相當(dāng)充沛，一年30%以上的時間都是雨天氣候。但收集雨水能量仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，Wang[2]開發(fā)的摩擦納米發(fā)電機(jī)將雨水能量轉(zhuǎn)化為了電能。我們的團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了一種通過化學(xué)方式收集電能的新技術(shù)。對含有離子的雨水敏感的富集π電子結(jié)構(gòu)的還原氧化石墨烯可以轉(zhuǎn)換雨水能量為電能[3]。

本文采用模板法、恒流電沉積法、置換反應(yīng)制備鎳合金對電極，將其用于收集雨水能量。由于鎳與鈀金屬電負(fù)性的不同，通過合金化作用，使Pd表面呈富電子狀態(tài)。在雨天，合金表面的電子與雨水中的陽離子形成雙電層贗電容，輸出電信號。我們研究了合金類別、雨水強(qiáng)度對電信號的影響及進(jìn)行信號穩(wěn)定性測試，為進(jìn)一步提高電量輸出提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

六水硝酸鋅；六亞甲基四胺，六水硫酸鎳，氯化鈀，硫酸，氯化鈀，硝酸銀，硝酸銅，氯化金，五氯化鉬，鹽酸，乙醇，導(dǎo)電玻璃(FTO)，以上試劑均為分析純。儀器內(nèi)包括電子天平，基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)室超純水機(jī)，超聲清洗機(jī)，WGLL-65BE電熱鼓風(fēng)干燥箱、CHI660E電化學(xué)工作站，醫(yī)用注射泵。

1.2 氧化鋅模板的制備

10 mmol/L六水合硝酸鋅與10 mmol/L六亞甲基四胺水溶液混合。隨后將FTO玻璃(12 Ω/m2)面朝上放在含以上的溶液的100 mL的水熱釜中，移入電熱鼓風(fēng)干燥箱中95℃，4 h，空氣冷卻到室溫，用去離子水完全的沖洗，在空氣中晾干。

1.3 NiPd0.1單電極的制備

六水合硫酸鎳溶解在去離子水中形成濃度0.05 mol/L的均勻溶液，隨后氯化銨溶于上述溶液，控制濃度為0.02 mol/L。電沉積通過三電極電解池完成，這個三電極電解池：Pt電極作為對電極，F(xiàn)TO支撐的氧化鋅作為工作電極，Ag/AgCl(3 mol/L KCl)電極作為參比電極。在空氣中電流密度有0.25 mA/cm2，電沉積600 s。這個之后，基底浸入1 mmol/L的氯化物(鈀/金/銀/銅/鉬)水溶液中15 min進(jìn)行置換反應(yīng)。最后，氧化鋅納米棒會用2 mmol/L的硫酸除掉獲得最終的對電極。

1.4 電信號測試的方法

啟動醫(yī)用注射器，將模擬雨水注射到NiPd0.1薄膜電極的頂部，用導(dǎo)線將薄膜對電極與薄膜對電極的兩端連接起來，連接到CHI660E電化學(xué)工作站上，雨水發(fā)電設(shè)備所輸出的電流電壓信號將在工作站上顯示。其中連接兩個電極與導(dǎo)線的接觸點(diǎn)需要涂滿銀膠，防止模擬雨水滴濺，并且用乙酸乙酯共聚物熱封兩個電極。如果沒有特別指出，默認(rèn)注射器的注入速度為60 mL/h，模擬雨水為0.6 mol/L NaCl水溶液，NiPd0.1單電極以模擬雨水滴點(diǎn)之間橫向距離為81.15 mm。每組數(shù)據(jù)測試重復(fù)至少40次。

2 結(jié)果分析

2.1 鎳合金單電極的選擇

為了研究各種鎳合金(NiPd0.1、NiAu、NiAg、NiMo、NiCu)單電極的雨水發(fā)電能力，將0.6 mol/L NaCl模擬雨水滴在不同合金薄膜電極上進(jìn)行信號測試。如圖1所示，我們可以看出電流和電壓峰平均值遵循：NiPd0.1(4.148 μA, 52.512 μV)>NiAu(3.954 μA,36.318 μV)>NiAg(3.279 μA，32.823 μV)>NiMo(0.713 μA，8.522 μV)>NiCu(0.148 μA，5.898 μV)?；贜iPd0.1相對優(yōu)異的雨水發(fā)電能力，我們選取NiPd0.1單電極進(jìn)行接下來的規(guī)律研究。

圖1 不同鎳合金的電流電壓信號

2.2 雨水強(qiáng)度對NiPd0.1單電極電信號的影響

圖2 不同滴速下的電流電壓信號

為了研究雨水強(qiáng)度對電信號的影響。我們控制兩個液滴之間的時間間隔來模擬降雨量，低速意味著輕度降雨，高速模擬強(qiáng)降雨。調(diào)整注射泵的滴速由10～300 Ml/h。根據(jù)圖2看出，隨著滴速從10 mL/h增加到300 mL/h，電流峰平均值從4.586 μA到2.666 μA，電壓峰平均值從63.25 μV到8.75 μV。從得出結(jié)論：電流電壓峰平均值與降雨強(qiáng)度成反比。其規(guī)律背后的潛在機(jī)制是隨著模擬雨水滴速加快，在NiPd0.1單電極表面上雨滴膨脹會出現(xiàn)不完全恢復(fù)，因此降低了電壓電路功率輸出。

2.3 NiPd0.1單電極電信號穩(wěn)定性

圖3 電流電壓信號穩(wěn)定性圖

設(shè)計(jì)雨天發(fā)電的儲能器件的主要目的是將其應(yīng)用于實(shí)際，解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，并解決日益增長的能源需求與匱乏不足的傳統(tǒng)能源之間的矛盾問題。所以，NiPd0.1單電極在在實(shí)際應(yīng)用中收集雨能的穩(wěn)定性也至關(guān)重要。為了表征穩(wěn)定性特征，我們將模擬的雨滴(0.6 mol/L NaCl水溶液)以10 mL/h的注射速度滴在NiPd0.1薄膜單電極上，持續(xù)1 h甚至2 h。如圖3所示。電流信號從0 s到8000 s，電流信號下降值低于20%。電壓信號從0～6000 s，電壓信號低于15%。因此，NiPd0.1單電極在收集雨水能量方面具有出色的耐久性。

3 總結(jié)

通過ZnO模板法制備的鎳鈀單電極具有優(yōu)秀的單電極表面電子傳輸速度。NiPd0.1單電極成功收集雨能，電流達(dá)幾微安，電壓達(dá)幾十微伏。初步結(jié)果表明，雨水強(qiáng)度越大，電流電壓信號越弱。雨水發(fā)電的進(jìn)一步研究，為全天候儲能器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。