[发明专利]一种3D打印基于石墨烯的水蒸发发电器件及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种3D打印基于石墨烯的水蒸发发电器件的制备方法，它包括以下步骤：（1）将氧化石墨烯悬浮液、抗坏血酸和去离子水混合，形成氧化石墨烯水溶液，60‑80℃加热0.25~1h，得到部分还原氧化石墨烯水溶液，再过滤得到部分还原氧化石墨烯墨水；（2）将部分还原氧化石墨烯墨水置于3D打印机，在基底上进行3D打印得到3D氧化还原石墨烯水薄膜，室温放置不大于30min，再进行冷冻干燥8‑12h后，得到的3D氧化还原石墨烯水薄膜在室温条件下两端装上极耳，得到基于石墨烯的水蒸发发电器件。本发明利用3D打印技术制造水蒸发发电器件，简单可重复性高；经过冷冻干燥后的氧化还原石墨烯具有丰富的微观孔，大量交联错着的孔隙，在海水中实现水蒸发发电有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种3D打印基于石墨烯的水蒸发发电器件及其制备方法与应用。

背景技术

自从20世纪以来，能源危机和环境污染成为人类面临的两大难题，绿色可持续能源的开发已经亟不可待。几种新型获取能源的方式如热电、光伏、压电等被开发利用来解决目前的能源危机。然而，上述的几种能源方式都需要额外的能量输入，如机械能、热能和光能等，因此，不是理想的获取能源的方式。相比较而言，将环境能量转变成电能是一种低成本、绿色可持续的方式。

水蒸发在自然界中每时每刻都在自发进行，利用水蒸发产生电能的研究也已经有报道。如碳材料(EnergyEnviron.Sci.2018,11,2839；Nat.Nanotech,2017,12,317；Adv.Funct.Mater.2017,27,1700551；Adv.Energy Mater.2018,8,1702149)，层状双氢氧化物(Nano Energy2019,57,269；Nano Energy 2020,70,104502)，金属氧化物(ACSAppl.Mater.Interfaces 2019,11,30927)等。以往的报道研究中蒸发驱动发电仅限于在去离子水或低盐浓度的溶液中工作。开发利用海水实现蒸发发电的发电器件仍然是一个主要的挑战；此外，目前报道的水蒸发发电器件存在着器件组装工艺复杂，难以满足实际应用等问题。3D打印是一种技术成熟的材料宏观制备技术，已经成功应用于各个领域。然而，迄今为止并没有基于3D打印技术制备的水蒸发发电器件的相关报道。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的缺陷，提供了一种3D打印基于石墨烯的水蒸发发电器件及其制备方法与应用。

本发明的第一个目的在于提供一种3D打印基于石墨烯的水蒸发发电器件的制备方法，它包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯悬浮液、抗坏血酸和去离子水混合，形成氧化石墨烯水溶液，60-80℃加热0.25～1h，得到部分还原氧化石墨烯水溶液，再过滤得到部分还原氧化石墨烯墨水；

(2)将所述部分还原氧化石墨烯墨水置于3D打印机，在基底上进行3D打印得到3D氧化还原石墨烯水薄膜，室温放置不大于30min，再进行冷冻干燥8-12h后，得到的3D氧化还原石墨烯水薄膜在室温条件下两端装上极耳，得到基于石墨烯的水蒸发发电器件。

具体地，所述氧化石墨烯悬浮液和所述抗坏血酸的投料质量比为1:0.1～2。

具体地，所述3D打印机的打印针头与针筒相适配，所述打印针头的直径为200-400μm。

优选地，所述3D打印机的打印针头和玻璃基底之间的间距为所述打印针头直径的0.75倍。

具体地，所述3D打印的参数设置包括预先设定好3D打印机机械臂的移动程序，选择气压为100～300kpa，机械臂的移动速度为10～20mm/s。

具体地，所述氧化石墨烯悬浮液的制备步骤如下：

(a)向硫酸、过硫酸钾、五氧化二磷的80℃混合溶液中加入膨胀石墨，加温剧烈搅拌，用蒸馏水洗涤，烘干，得到干燥的石墨粉；