【摘要】：化石能源的快速消耗不僅加劇了能源危機(jī),同時也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染,因此為了人類的可持續(xù)發(fā)展,亟需開發(fā)新型可再生能源技術(shù)。納米多孔材料展現(xiàn)出特殊的界面效應(yīng)和現(xiàn)象,可以用來收集環(huán)境中各種分布式能量,如熱能、海洋能和機(jī)械能等,這為新能源技術(shù)的發(fā)展提供了契機(jī)。本論文首先綜述了納米材料界面特殊的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)以及界面相關(guān)的理論,重點(diǎn)介紹了基于界面離子傳輸?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換最新研究進(jìn)展。利用納米孔道離子選擇性和固液界面載流子協(xié)同傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)的鹽差發(fā)電和動電轉(zhuǎn)換技術(shù)系統(tǒng)簡單,可實(shí)現(xiàn)分布式能量向高品質(zhì)電能轉(zhuǎn)換,具有廣泛的應(yīng)用前景。然而,目前對新興的離子與納米材料表面相互作用的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理研究還不夠深入,缺乏統(tǒng)一的理論體系;系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率普遍較低,缺乏對器件集成優(yōu)化設(shè)計和對能量的多效利用。由此可見,基于納米多孔材料界面離子運(yùn)動的能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)研究工作仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。針對以上問題,本論文研究內(nèi)容如下:1.納米多孔碳膜的水蒸氣吸附電勢:發(fā)現(xiàn)并揭示了納米多孔碳膜的水蒸氣吸附電勢現(xiàn)象。官能團(tuán)梯度分布的納米多孔碳膜在高濕度環(huán)境下吸附水蒸氣后,碳膜兩端會產(chǎn)生電壓,將環(huán)境中的熱能轉(zhuǎn)換為電能。通過蒙特卡羅和分子動力學(xué)模擬及實(shí)驗(yàn)研究,揭示了水蒸氣吸附產(chǎn)生電壓的主要機(jī)理。碳材料表面 COOH上的質(zhì)子會在高濕度環(huán)境下解離進(jìn)入固液界面的水吸附層,在官能團(tuán)多的區(qū)域的解離質(zhì)子會在濃度梯度下遷移至官能團(tuán)少的區(qū)域,與質(zhì)子離開后的 COO~ 形成電勢差。器件發(fā)電性能可以通過優(yōu)化尺寸和改進(jìn)材料提高。這種新型的吸附電勢在自驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換和濕度傳感領(lǐng)域有著特殊的優(yōu)勢,同時也為研究吸附現(xiàn)象提供了一個新的視角,具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。2.太陽能海水淡化及光驅(qū)動鹽差發(fā)電:利用具有離子選擇性的納米多孔膜可以用來獲取不同濃度鹽溶液之間的混合吉布斯能,即鹽差發(fā)電�，F(xiàn)有的鹽差發(fā)電的研究對象主要集中在江河入�？诤Ｋ秃铀臐舛炔�,限制了鹽差發(fā)電的工作地域和輸出功率。基于光熱轉(zhuǎn)化,首次將海水淡化和鹽差發(fā)電耦合于同一器件,實(shí)現(xiàn)了能量的多級利用。太陽能光熱海水淡化過程中水分的快速蒸發(fā)產(chǎn)生鹽濃度梯度,可以進(jìn)行鹽差發(fā)電,獲取高品位的電能,為藍(lán)色能源的利用提供了一個新的思路。碳納米管修飾的濾紙光熱轉(zhuǎn)換性能優(yōu)異,在1 kW m~( 2)光照強(qiáng)度時,光熱轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到73%。這種鹽差發(fā)電的設(shè)計不僅能突破河流與入�？诘赜虻南拗�,而且因?yàn)闊岷Ｋc飽和鹽水的天然優(yōu)勢而具有更高的發(fā)電功率密度。經(jīng)過優(yōu)化的器件,在1 kW m~( 2)光照強(qiáng)度下,鹽差能的理論功率可以達(dá)到12.5 W m~( 2)。這種鹽差發(fā)電系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,10 cm×10 cm器件在平均光照強(qiáng)度~0.7 kW m~( 2)的自然光照下,鹽差發(fā)電輸出功率密度約為0.3 W m~( 2)�；谠撓到y(tǒng),太陽能海水淡化和鹽差發(fā)電可以直接在海面上實(shí)現(xiàn),以獲取大量的淡水資源和大規(guī)模的藍(lán)色能源。3.納米多孔膜的動電效應(yīng)及一體化發(fā)電儲能集成:動電轉(zhuǎn)換電池利用納米多孔膜的離子選擇特性和電極持續(xù)的氧化還原反應(yīng)將流體動能轉(zhuǎn)換為電能,但不具備能量存儲功能,需與其他儲能裝置組成能源管理系統(tǒng)。利用動電效應(yīng)產(chǎn)生的動電電壓給具有電容特性電極充電,將動電轉(zhuǎn)換的電能存儲于電容之中,實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換和存儲在同一器件上的集成,為收集低頻機(jī)械能提供了一個新的方法。碳納米管修飾鈦網(wǎng)電極在2 mV s~( 1)的掃描速度下,器件的面積電容值為2.2 mF cm~( 2),且器件的漏電流很低,可以有效的存儲能量。在壓力驅(qū)動下,動電電容的飽和電荷存儲密度可以達(dá)到0.4 mC cm~( 2),能量轉(zhuǎn)換效率接近~0.1%,接近于動電電池的能量轉(zhuǎn)換效率,通過改善納米孔道結(jié)構(gòu),效率可提升至~0.5%。使用高性能的離子選擇性納米孔道和電容電極材料,可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。動電電容可以設(shè)計成便攜式的封閉流動體系,器件串聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)高電壓的輸出,驅(qū)動電子元器件。基于納米多孔材料雙電層重疊的動電效應(yīng)產(chǎn)生的電能,最終存儲到多孔電極材料的雙電層中,實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換與存儲的一體化集成。
【圖文】：

2見的界面現(xiàn)象：固液界面的雙電層、浸潤；固氣界面的吸附；固固界面的乳化以及液氣界面的蒸發(fā)、冷凝等�，F(xiàn)象吸附：理論與應(yīng)用8 世紀(jì)，C. W. Scheele 和 A. F. Fontana 已經(jīng)對木炭吸附氣體的和研究。19 世紀(jì)末，J.W.Gibbs 對經(jīng)典熱力學(xué)進(jìn)行了總結(jié)，解問題，，建立了吸附理論的基礎(chǔ)。20 世紀(jì)中期開始，隨著科技表面和吸附的探索逐漸深入，并且對物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和吸附現(xiàn)

界面的吸附可以改變固體表面的性質(zhì)，因此在實(shí)際工作中尤為重要。具有吸附能力的材料稱為吸附劑(Adsorbent)，被吸附的物體稱為吸附Adsorbate)，一般常用的吸附劑有活性炭和硅膠。根據(jù)發(fā)生吸附作用時吸附質(zhì)與吸作用力性質(zhì)的不同，可以將吸附過程分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附的吸附分子間的 vanderWaals’力引起的，強(qiáng)度較弱；一般來說，物理吸附不改變物質(zhì)原性質(zhì)，因此吸附能小，被吸附的物質(zhì)也很容易脫離[10]。如用活性炭吸附氣體，將升高，就可以使被吸附的物質(zhì)釋放出來。圖 1-2a 中曲線 I 為物理吸附，在第一個中形成物理吸附態(tài)，吸附熱 ΔHp一般在 10-50 kJ mol 1范圍之間�；瘜W(xué)吸附過程僅存在引力作用，還有化學(xué)鍵的參與，因此吸附能較大，要釋放被吸附的物質(zhì)需高的能量，而且被吸附的物質(zhì)即使被釋放，也已經(jīng)發(fā)生了化學(xué)變化，不再是原來質(zhì)，一般催化劑都是以這種吸附形式參與化學(xué)反應(yīng)[11]。圖 1-2a 中曲線 II 為化學(xué)，吸附熱 ΔHc一般超過 100 kJ mol 1，接近于化學(xué)反應(yīng)熱[12]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉抗;李昌錚;闞偉民;劉輝東;楊兵;張翔輝;周軍;胡雪蛟;;毛細(xì)驅(qū)動納米通道雙電層發(fā)電的風(fēng)能轉(zhuǎn)換特性[J];工程熱物理學(xué)報;2015年03期

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1 曹淑華;等離子體處理炭黑和其它有色粉末的研究[D];東華大學(xué);2011年

本文編號：2702152