NiPd0.1合金單電極用于收集雨能

劉文萍

(中國海洋大學 材料科學與工程學院，山東 青島 266100)

現在社會發展對化石燃料的高度依賴對未來低碳經濟發展使得能源和環境負擔日益嚴重。所以，尋求儲存清潔的器件變得越來越重要。到目前為止，許多先進的新型能源設備已經可以收集太陽能，化學能源，風能，揮發物等自然能轉化為電能。但是，幾乎所有設備的總功率輸出都受到地理條件的限制[1]。例如，在直射陽光照射下，光伏發電可以通過復雜的光電或光電化學過程以高功率轉換效率將太陽能轉換為電能，但是，在雨天等氣候條件下，功率輸出幾乎為零。東南亞和南美地區雨水相當充沛，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性的問題。根據機電能量轉換原理，Wang[2]開發的摩擦納米發電機將雨水能量轉化為了電能。我們的團隊開創了一種通過化學方式收集電能的新技術。對含有離子的雨水敏感的富集π電子結構的還原氧化石墨烯可以轉換雨水能量為電能[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性的不同，通過合金化作用，使Pd表面呈富電子狀態。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、雨水強度對電信號的影響及進行信號穩定性測試，為進一步提高電量輸出提供理論指導。

1 實驗部分

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，導電玻璃(FTO)，以上試劑均為分析純。儀器內包括電子天平，基礎型實驗室超純水機，超聲清洗機，WGLL-65BE電熱鼓風干燥箱、CHI660E電化學工作站，醫用注射泵。

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，FTO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進行置換反應。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

啟動醫用注射器，將模擬雨水注射到NiPd0.1薄膜電極的頂部，用導線將薄膜對電極與薄膜對電極的兩端連接起來，連接到CHI660E電化學工作站上，雨水發電設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線的接觸點需要涂滿銀膠，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之間橫向距離為81.15 mm。每組數據測試重復至少40次。

2 結果分析

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)。基于NiPd0.1相對優異的雨水發電能力，我們選取NiPd0.1單電極進行接下來的規律研究。

圖1 不同鎳合金的電流電壓信號

2.2 雨水強度對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，高速模擬強降雨。調整注射泵的滴速由10～300 Ml/h。根據圖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。從得出結論：電流電壓峰平均值與降雨強度成反比。其規律背后的潛在機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不完全恢復，因此降低了電壓電路功率輸出。

2.3 NiPd0.1單電極電信號穩定性

圖3 電流電壓信號穩定性圖

設計雨天發電的儲能器件的主要目的是將其應用于實際，解決能源危機和環境污染問題，并解決日益增長的能源需求與匱乏不足的傳統能源之間的矛盾問題。所以，NiPd0.1單電極在在實際應用中收集雨能的穩定性也至關重要。為了表征穩定性特征，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

通過ZnO模板法制備的鎳鈀單電極具有優秀的單電極表面電子傳輸速度。NiPd0.1單電極成功收集雨能，電流達幾微安，電壓達幾十微伏。初步結果表明，雨水強度越大，電流電壓信號越弱。雨水發電的進一步研究，為全天候儲能器件的結構設計提供新思路。