基于氧化改性煤粉的水伏发电机的构筑及其性能研究

作     者：赵建航 左志超 余雯雯 叶亚楠 朱凤博 郑强 

作者机构：太原理工大学材料科学与工程学院 浙江大学高分子科学与工程学系 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52103019 U22A20151) 山西浙大新材料与化工研究院资助项目(项目号2021SX-TD010) 

主　　题：改性煤粉 水伏发电 能量收集 低温氧化 非对称电极 

摘      要：煤的燃烧发电伴随有大量污染物和温室气体的产生，因此开发煤炭的新型绿色发电模式具有重要意义。水伏发电技术是利用材料与流体界面的相互作用来产生电能的新型发电模式，因其绿色、可持续和低成本的优势在近年来引起了研究人员的广泛关注。本文以煤粉为原材料，通过氧化改性调控煤粉表面的含氧官能度，利用抽滤的方法制备了改性煤粉/滤纸复合材料，组装了基于改性煤粉的蒸发发电装置。当器件被浸入水中时，水分子在蒸发和毛细力作用下由煤粉/滤纸复合膜底部向上定向传输，同时在表面呈电负性的氧化煤粉堆叠形成的通道中不断解离，氧化改性煤粉可排斥带相同电荷的阴离子而吸引带相反电荷的阳离子并在煤粉-水流表面形成双电层，流体中的离子因为移动速率的差异会在其传输的上下游位置分别形成阳离子和阴离子富集的区域并由此产生持续的流动电势。采用傅里叶红外光谱仪和纳米粒度分析仪对煤粉表面含氧官能团进行了表征。采用扫描电子显微镜对复合材料的微观形貌进行了观察。利用数字源表对器件发电性能进行了测试。当结合不对称电极工作时，其在纯水中工作能够产生高达0.72 V的电压，输出电流为0.4 μA，输出功率最高达到29.28 μW/m2。以改性煤粉制作的发电机还克服了传统水伏发电机在高浓度盐溶液中发电性能下降的问题，经测试，在1 mol/L的NaCl溶液中依然可以保持0.9 V的稳定输出电压。通过多个水伏发电装置的串联还可实现对低耗能装置的供电，展现了其潜在应用价值。