发电器件、检测装置及制备方法及应用

1.本发明涉及发电器件领域，具体涉及一种发电器件、检测装置及制备方法及应用。


背景技术：

2.随着科技的发展和人类的进步，化石燃料的不可逆消耗和生态环境的污染破坏使得人们开始开始探索用绿色可持续的方式收集环境中的能量。其中，水作为地球上最为常见和丰富的绿色资源之一，如何利用水中的能量并将其转化为电能是如今一个重要的研究热点。水伏发电是利用水和纳米材料的相互作用，产生电能，因此被称为水伏效应。
3.近年来研究人员们主要致力于开发各种新兴的纳米材料用于水伏发电，通过化学修饰、材料复合等提高能量收集效率，但未有人将这些纳米材料对水的敏感性以及具备水伏发电的特性进行拓展利用，比如灾害预测等。在现有技术中，在面对诸如降雨型自然灾害如地震、塌方、滑坡等极端气象条件下，目前的商业化渗水预警装置往往体积庞大、价格昂贵、安装不便，且响应时间长，难以有效进行预测。
4.因此，如何设计一种发电器件、检测装置及制备方法及应用，以便于实现对液体的感应监测，简化结构，降低成本，缩小体积，是本发明亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，如何提供一种发电器件的制备方法，以解决如何较好地实现在对液体的感应监测的同时，简化结构，降低成本，的技术问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种发电器件，包括：发电基体，其中，所述发电基体包括:
7.具有迁移通道的亲水性基层；
8.其中，所述发电基体用于在吸附液体后，使得所述液体通过所述迁移通道，从其中一侧朝向另一侧迁移扩散，以产生电势差。
9.进一步作为优选地，所述发电基体的一端用于构成阳极，另一端用于构成阴极；所述水伏发电器件还包括：相对两端分别与所述阳极和所述阴极相连以检测所述发电基体的电压信号和电流信号的检测器件。
10.进一步作为优选地，所述迁移通道为毛细通道；所述亲水性基层为纤维素基层；所述液体为去离子水、电解质溶液或极性有机溶剂中的任意一种。
11.进一步作为优选地，所述二硫化钼导电层为沉积层；其中，所述二硫化钼导电层包括：若干个大小和形状不同的导电晶体构成的簇状结构，且至少有部分相邻的两个簇状结构彼此接触或相连。
12.进一步作为优选地，至少有部分所述导电晶体为含氧的二硫化钼晶体；至少有部分所述二硫化钼的晶相为1t。
13.本技术还提供了一种检测装置，包括上述水伏发电器件。
14.本技术还提供了一种基于上述二硫化钼的发电器件的应用，其特征在于，包括：将
所述发电基体沿其长度方向预埋入待监测的土壤中。
15.本技术还提供了一种发电器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
16.将二硫化钼粉末分散到水中，得到浓度为20mg/g～100mg/g的二硫化钼溶液；
17.对二硫化钼溶液进行超声波振荡处理至少0.5h，得到二硫化钼水相分散液；
18.将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理至少10s后取出后进行干燥处理后，得到复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层，以使所述二硫化钼导电层在吸附液体后，通过所述迁移通道，从其中一侧朝向另一侧迁移扩散，并产生电势差和电流。
19.进一步作为优选地，在所述将二硫化钼粉末分散到水中，得到浓度为20mg/g～100mg/g的二硫化钼溶液的步骤前还包括以下步骤：
20.将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:14～1:30，充分搅拌溶解30min后得到混合溶液；
21.将所述混合溶液至于反应釜中，在120～180℃下反应12～24h得到沉积物；
22.将所述沉积物经洗涤烘干后得到二硫化钼粉末，其中，所述二硫化钼粉末的晶相为1t。
23.本技术还提供了一种发电器件的制备方法，包括以下步骤：
24.将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:14～1:30，充分搅拌溶解至少30min后得到混合溶液；
25.将所述混合溶液和具有迁移通道的亲水性基层至于反应釜中，在120～180℃下反应12～24h，以使得所述亲水性基层上原位生长二硫化钼，从而得到沉积有二硫化钼的亲水性基层，其中，至少有部分所述二硫化钼的晶相为1t；
26.将所述沉积有二硫化钼的亲水性基层通过去离子水和或乙醇溶液交替洗涤后得到发电基体。
27.本发明的积极进步效果在于：可在便于实现对液体的感应监测的同时，简化结构以及制备步骤，降低成本，缩小体积。
附图说明
28.图1为实施例一中发电基体的结构示意图；
29.图2为实施例一中发电基体的工作原理示意图；
30.图3为实施例一中发电基体的局部区域的扫描电镜图一；
31.图4为实施例一中发电基体的局部区域的扫描电镜图二；
32.图5为实施例一中发电基体的局部区域的扫描电镜图三；
33.图6为实施例一中导电二硫化钼的扫描电镜图；
34.图7为实施例一中导电二硫化钼的扫描电镜能谱面扫的mo元素的分布图；
35.图8为实施例一中导电二硫化钼的扫描电镜能谱面扫的s元素的分布图；
36.图9为实施例一中导电二硫化钼的扫描电镜能谱面扫的o元素的分布图；
37.图10为实施例一中导电二硫化钼的xrd图；
38.图11为实施例一中导电二硫化钼的zeta电位测试图；
39.图12为实施例一中发电基体的电阻与开路电压、短路电流及根据开路电压和短路
电流计算的最大输出功率的关系示意图；
40.图13为实施例一中发电基体的电压与时间的关系示意图一；
41.图14为实施例一中发电基体的吸附液体的体积与其响应的电压的关系示意图；
42.图15为实施例一中发电基体的电压测试次数与电压响应之间的关系示意图；
43.图16为实施例一中发电基体吸附的液体体积与发电基体的电阻电阻变化之间的关系示意图；
44.图17为实施例一中发电基体吸附的电解质溶液浓度与电压响应之间的关系示意图；
45.图18为实施例一中发电基体吸附湿气时对应的电压响应与时间的关系示意图；
46.图19为实施例二中发电基体的局部区域的电镜图一；
47.图20为实施例二中发电基体的局部区域的电镜图二；
48.图21为实施例二中发电基体的局部区域的电镜图三；
49.图22为实施例一中发电基体吸附的液体种类与电压响应之间的关系示意图；
50.图23为实施例九中发电基体的xrd图；
51.图24为实施例九中发电基体吸附的液体体积与电流响应之间的关系示意图；
52.图25为实施例九中发电基体吸附的液体种类与电压响应、电流响应及相应输出功率之间的关系示意图；
53.图26为实施例九中二硫化钼的zeta电位测试图；
54.图27为实施例九中发电基体吸附甲醇溶液时的电压与时间的关系示意图一；
55.图28为实施例九中发电基体的局部区域的扫描电镜图一；
56.图29为实施例九中发电基体的局部区域的扫描电镜图二；
57.图30为实施例九中发电基体的局部区域的扫描电镜图三；
58.图31为实施例九中发电基体的局部区域的扫描电镜图；
59.图32为实施例九中发电基体的扫描电镜能谱面扫的mo元素的分布图；
60.图33为实施例九中发电基体的扫描电镜能谱面扫的s元素的分布图；
61.图34为实施例九中发电基体的扫描电镜能谱面扫的o元素的分布图；
62.图35为实施例十二中检测装置的结构示意图；
63.图36为实施例十二中检测装置的结构示意图；
64.附图标记说明；
65.发电基体1、阳极11、阴极12、液体13、检测器件2、芯片3、土壤层5，湿润土层51、干燥土壤层52、岩石层53。
具体实施方式
66.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
67.一、实验材料和测试方法：
68.实验材料：
69.1.四水合钼酸胺粉末；
70.2.硫脲粉末；
71.3.溶解水；
72.3、反应釜的规格：50ml；
73.4、乙醇的纯度99.5％；
74.5、超声设备的规格和参数：40khz；功率120kw；
75.6、亲水性基层的规格和参数：由纤维素材质构成的滤纸，尺寸大小为1*4cm，厚度为0.44mm；
76.7、烘箱的规格和参数：
77.8、发电测试：
78.8.1发电器件的发电量和液体体积的关系测试：液体为去离子水；去离子水的实验体积为10ul，30ul和50ul、以及100ul；
79.8.2发电器件的发电量和液体体积的关系测试：液体为电解质溶液；电解质溶液的实验体积为50ul；电解质溶液的浓度:0.01mol/l～5mol/l；
80.8.3、发电器件的发电量和环境湿度之间的关系测试：使用材料为透明胶带；环境湿度为85％rh以上。
81.本实施例中关于发电器件具体的制备方法以及各项性能测试，现通过下列个实施例以及图表作如下简要说明：
82.实施例一
83.本实施例提供了一种用于上述发电器件的制备方法，其包括以下步骤：
84.步骤一:将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解30min后得到混合溶液。其中，需要说明的是，在该步骤中，取样2.512g四水合钼酸胺粉末和1.359g的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比。
85.步骤二:将所述混合溶液至于反应釜中，在180℃下以及2mpa的压力下反应24h得到沉积物；
86.步骤三:将所述沉积物经洗涤烘干后得到二硫化钼粉末，其中，所述二硫化钼粉末的晶相为1t。
87.步骤四:将0.5g二硫化钼粉末分散到10g的水中，得到浓度为47.6mg/g的二硫化钼溶液；
88.步骤五:对二硫化钼溶液进行超声波振荡处理0.5h，得到二硫化钼水相分散液；
89.步骤六:将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理10s后取出后进行干燥处理后，得到发电基体，或者，将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理10s并进行干燥处理后，再进行重复的浸渍干燥操作后，例如1至14次后得到发电基体。
90.通过上述步骤，不仅简化了步骤，而且通过复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层的方式构成的发电基体，在吸附液体后，通过液体在发电基体迁移通道，从其中一侧朝向另一侧迁移扩散，利用不对称的方式并产生电势差和电流，具有较大的应用前景，且降低了制造成本，提高了生成效率。
91.其中，需要说明的是，本实施例中的干燥处理优选为将复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层置于60度烘箱中烘干至少20min，以去除液体。显然，本实施例中的干燥处理也可以采用其他的温度，例如30度或80度等进行烘干。
92.通过上述步骤以及实验数据可知：通过图3至图9可知：本实施例采用水热合成的方法，得到了沉积于亲水性基层表面的富含氧掺杂的二硫化钼导电层具有良好的导性能、亲水性能，以及更高的表面电荷密度。并且，通过图11中所示的二硫化钼的zeta电位可知：沉积于所述亲水性基层上的二硫化钼亲水性好，表面电荷密度高。另外，需要说明的是，如图1和图2所示，本实施例中，所述发电基体1的一端用于构成阳极12，另一端用于构成阴极11；所述水伏发电器件还包括：相对两端分别与所述阳极和所述阴极相连，以检测所述发电基体的电压信号和电流信号的检测器件2。其中，滴入液体13的一端构成阴极11，也就是湿区构成阴极11，干燥区构成阳极12。
93.并且，通过附图10所示的发电基体的x射线衍射图谱和附图11所示的发电基体的zeta电位图可知：上述水热合成的方法得到的二硫化钼导电层中二硫化钼特在9.6度附近有特征峰，且未发现晶相为2h的二硫化钼特征峰(参考图10中的条状体)，因此二硫化钼导电层其包括的二硫化钼晶体的晶相绝大部分或100％为1t，因此，相比于采用球磨法或机械玻璃得到的2h相且导电性较差的二硫化钼层，晶相为1t二硫化钼导电层的导电性、亲水性、表面电荷密度均更优，有利于促进二硫化钼与液滴的相互作用，提高发电性能。
94.另外，如图12和下列表2可知：发电基体的电压-电阻关系表可知：本实施例通过浸渍和烘干的重复次数与发电基体的电阻成反比关系，而浸渍的时间与发电基体的电阻关联并不是很明显。其中，current表示测试时当前发电基体输出的电流的数值，voltage表示测试时当前当前发电基体输出的电压；power表示测试时当前发电基体输出的功率。
95.通过图12所显示的实验数据表明，当浸涂-烘干的重复次数多，上述发电基体的的电阻越来越小，其范围可从1.3m欧姆低至7k欧姆。
96.另外，裁剪得到尺寸为1*4cm的发电基体，并在其一端分别分别滴入10ul，30ul和50ul、以及100ul的去离子水进行测试，得到如图13至图15所示的时间与电压曲线图进行分析可知：
97.如图13所示，发电基体整个电压曲线持续时间约四百秒，电压先增大，后稳定，然后急剧减小至0，因此其电压的变化趋势与发电基体的润湿过程相对应的，从而可实现对地下土壤中水位变化的监测，例如降雨导致一定深度处的土壤层含水量提高后，该处水分被发电基体监测到后产生电压或电阻信号的变化。
98.如图14所示的可知：电压峰值与液体体积成正相关，液体体积越大，电压和电流信号持续的时间越长。此外，还说明发电基体可利用自然蒸发的方式去除水分，而不会持续发电。
99.另外，将裁剪得到尺寸为1*4cm的发电基体在其一端滴入50ul的去离子水进行重复的发电周期测试，如图15所示，共进行了12次测试，并通过数据可知，重复使用的次数增多，其电压值稳定不衰减。其中，前八次是在51度左右测试，9-10次是在41度左右测试，11-12是在33度左右测试，并且，通过实验数据表明，其温度越低，蒸发速度越慢，电压信号持续时间越长，如图15所示。
100.另外，将裁剪得到尺寸为1*4cm的发电基体在其一端滴入2ul～20ul的去离子水进行的发电测试，如图16所示可知：滴入液体后，发电基体的电阻会下降，且电阻的下降程度也与滴加的液体体积成正相关的关系。
101.另外，将裁剪得到尺寸为1*4cm的发电基体在其一端滴入50ul且浓度分别为
0.01mol/l、0.1mol/l、1mol/l、3mol/l、5mol/l的电解质溶液，本实施例以nacl溶液作为电解质溶液为例进行说明，如图17所示，发电基体的产电电压与电解质溶液浓度成正相关的关系。当电解质溶液浓度为5mol/l时，其产生的最大电压为570mv，。当电解质溶液浓度为3mol/l时，其产生的最大电流为160.7ua。
102.另外，将裁剪得到尺寸为1*4cm的发电基体至于高湿环境，例如湿度为85rh％至100rh％的环境中进行发电测试，以验证发电器件在高湿环境中其发电电压与时间的关系，其中，在测试前，在发电基体长度方向用0.5cm的透明胶带包覆以形成干区，另一部用于暴露与环境中以在吸附空气中的湿气后形成湿区，如图18可知：当发电基体逐渐被湿气所吸附时，其产生的响应电压相对发电基体吸附去离子水时产生的峰值电压的所需的时间更长。
103.如图22所示，采用液体的体积均为50ul进行发电测试，当液体为不同种类时，发电基体产生的电压和电流的响应不同，从而可根据采集的电压和电流数据，例如根据预先采集并拟合生成的电压和电流变化数据和液体种类相关的关系曲线，分析并判定对应的液体的种类，以实现对复杂的气象环境，例如地震、塌方、滑坡等极端气象下，对环境参数的监测，例如将发电基体沿其长度方向预埋入待监测的土壤中，以实现地下水的液位、土壤湿度或空气湿度等，在此不再作具体的限定和赘述。
104.实施例二
105.本实施例还提供了一种发电器件的制备方法，具体包括以下步骤：
106.步骤一:将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解30min后得到混合溶液；其中，需要说明的是，在该步骤中，取样2.512g四水合钼酸胺粉末和1.359g的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比。
107.步骤二:将所述混合溶液至于反应釜中，在120℃下以及0.3mpa的压力下反应12h得到沉积物；
108.步骤三:将所述沉积物经洗涤烘干后得到二硫化钼粉末，其中，所述二硫化钼粉末的晶相为1t。
109.步骤四:将0.5g二硫化钼粉末分散到5g的水中，得到浓度为90.9mg/g的二硫化钼溶液；
110.步骤五:对二硫化钼溶液进行超声波振荡处理0.5h，得到二硫化钼水相分散液；
111.步骤六:将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理10s后取出后进行干燥处理后，得到复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层。
112.其中，需要说明的是，本实施例中的干燥处理优选为将复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层置于60度烘箱中烘干至少20min，以去除液体。显然，本实施例中的干燥处理也可以采用其他的温度，例如40度或80度等进行烘干。
113.实施例三
114.本实施例还提供了一种发电器件的制备方法，具体包括以下步骤：
115.步骤一:将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解30min后得到混合溶液；其中，需要说明的是，在该步骤中，取样2.512g四水合钼酸胺粉末和1.359g的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比。
116.步骤二:将所述混合溶液至于反应釜中，在120℃下以及0.3mpa的压力下反应12h
得到沉积物；
117.步骤三:将所述沉积物经洗涤烘干后得到二硫化钼粉末，其中，所述二硫化钼粉末的晶相为1t。
118.步骤四:将0.5g二硫化钼粉末分散到5g的水中，得到浓度为90.9mg/g的二硫化钼溶液；
119.步骤五:对二硫化钼溶液进行超声波振荡处理0.5h，得到二硫化钼水相分散液；
120.步骤六:将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理10s后取出后进行干燥处理后，得到发电基体。
121.其中，需要说明的是，本实施例中的干燥处理优选为将复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层置于60度烘箱中烘干至少20min，以去除液体。显然，本实施例中的干燥处理也可以采用其他的温度，例如80度或100度等进行烘干。
122.实施例四
123.本实施例还提供了一种发电器件的制备方法，具体包括以下步骤：
124.步骤一:将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解30min后得到混合溶液；其中，需要说明的是，在该步骤中，取样2.512g四水合钼酸胺粉末和1.359g的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比。
125.步骤二:将所述混合溶液至于反应釜中，在180℃下以及2mpa的压力下反应12h得到沉积物；
126.步骤三:将所述沉积物经洗涤烘干后得到二硫化钼粉末，其中，所述二硫化钼粉末的晶相为1t。
127.步骤四:将0.5g二硫化钼粉末分散到5g的水中，得到浓度为90.9mg/g的二硫化钼溶液；
128.步骤五:对二硫化钼溶液进行超声波振荡处理0.5h，得到二硫化钼水相分散液；
129.步骤六:将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理10s后取出后进行干燥处理后，得到发电基体。
130.其中，需要说明的是，本实施例中的干燥处理优选为将复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层置于60度烘箱中烘干至少20min，以去除液体。显然，本实施例中的干燥处理也可以采用其他的温度，例如40度或80度等进行烘干。
131.实施例五
132.本实施例还提供了一种发电器件的制备方法，具体包括以下步骤：
133.步骤一:将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解30min后得到混合溶液；其中，需要说明的是，在该步骤中，取样2.512g四水合钼酸胺粉末和1.359g的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比。
134.步骤二:将所述混合溶液至于反应釜中，在180℃下以及2mpa的压力下反应24h得到沉积物；
135.步骤三:将所述沉积物经洗涤烘干后得到二硫化钼粉末，其中，所述二硫化钼粉末的晶相为1t。
136.步骤四:将0.5g二硫化钼粉末分散到5g的水中，得到浓度为90.9mg/g的二硫化钼溶液；
137.步骤五:对二硫化钼溶液进行超声波振荡处理0.5h，得到二硫化钼水相分散液；
138.步骤六:将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理10s后取出后进行干燥处理后，得到发电基体。
139.其中，需要说明的是，本实施例中的干燥处理优选为将复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层置于60度烘箱中烘干至少20min，以去除液体。显然，本实施例中的干燥处理也可以采用其他的温度，例如40度或80度等进行烘干。
140.实施例六
141.本实施例还提供了一种发电器件的制备方法，具体包括以下步骤：
142.步骤一:将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解30min后得到混合溶液；其中，需要说明的是，在该步骤中，取样2.512g四水合钼酸胺粉末和1.359g的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比。
143.步骤二:将所述混合溶液至于反应釜中，在120℃下以及0.3mpa的压力下反应24h得到沉积物；
144.步骤三:将所述沉积物经洗涤烘干后得到二硫化钼粉末，其中，所述二硫化钼粉末的晶相为1t。
145.步骤四:将0.5g二硫化钼粉末分散到5g的水中，得到浓度为90.9mg/g的二硫化钼溶液；
146.步骤五:对二硫化钼溶液进行超声波振荡处理0.5h，得到二硫化钼水相分散液；
147.步骤六:将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理10s后取出后进行干燥处理后，得到发电基体。
148.其中，需要说明的是，本实施例中的干燥处理优选为将复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层置于60度烘箱中烘干至少20min，以去除液体。显然，本实施例中的干燥处理也可以采用其他的温度，例如80度或100度等进行烘干。
149.实施例七
150.本实施例还提供了一种发电器件的制备方法，具体包括以下步骤：
151.步骤一:将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解30min后得到混合溶液；其中，需要说明的是，在该步骤中，取样2.512g四水合钼酸胺粉末和1.359g的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比。
152.步骤二:将所述混合溶液至于反应釜中，在180℃下以及2mpa的压力下反应24h得到沉积物；
153.步骤三:将所述沉积物经洗涤烘干后得到二硫化钼粉末，其中，所述二硫化钼粉末的晶相为1t。
154.步骤四:将0.5g二硫化钼粉末分散到15g的水中，得到浓度为32.3mg/g的二硫化钼溶液；
155.步骤五:对二硫化钼溶液进行超声波振荡处理0.5h，得到二硫化钼水相分散液；
156.步骤六:将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理10s后取出后进行干燥处理后，得到发电基体。
157.其中，需要说明的是，本实施例中的干燥处理优选为将复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层置于60度烘箱中烘干至少20min，以去除液体。显然，本实施例中的干燥
处理也可以采用其他的温度，例如40度或80度等进行烘干。
158.实施例八
159.本实施例还提供了一种发电器件的制备方法，具体包括以下步骤：
160.步骤一:将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解30min后得到混合溶液；其中，需要说明的是，在该步骤中，取样2.512g四水合钼酸胺粉末和1.359g的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比。
161.步骤二:将所述混合溶液至于反应釜中，在180℃下以及2mpa的压力下反应24h得到沉积物；
162.步骤三:将所述沉积物经洗涤烘干后得到二硫化钼粉末，其中，所述二硫化钼粉末的晶相为1t。
163.步骤四:将0.5g二硫化钼粉末分散到20g的水中，得到浓度为24.4mg/g的二硫化钼溶液；
164.步骤五:对二硫化钼溶液进行超声波振荡处理0.5h，得到二硫化钼水相分散液；
165.步骤六:将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理10s后取出后进行干燥处理后，得到发电基体。
166.其中，需要说明的是，本实施例中的干燥处理优选为将复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层置于60度烘箱中烘干至少20min，以去除液体。显然，本实施例中的干燥处理也可以采用其他的温度，例如40度或80度等进行烘干。
167.实施例九
168.本实施例还提供了一种发电器件的制备方法，具体包括以下步骤：
169.步骤一；将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解至少30min后得到混合溶液；其中，需要说明的是，在该步骤中，取样0.3398g四水合钼酸胺粉末和0.628g的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比，其中，四水合钼酸铵的浓度为8.7mg/g；硫脲的浓度为16.1mg/g。
170.步骤二:将所述混合溶液和具有迁移通道的亲水性基层至于反应釜中，在180℃以及2mpa的压力下反应24h，以使得所述亲水性基层上原位生长二硫化钼，从而得到沉积有二硫化钼的亲水性基层，其中，至少有部分所述二硫化钼的晶相为1t；
171.步骤三:将所述沉积有二硫化钼的亲水性基层通过去离子水和或乙醇溶液交替洗涤后得到发电基体。
172.通过上述步骤以及附图28和图34可知：通过上述原位生长方法沉积于亲水性基层表面的富含氧掺杂的二硫化钼导电层具有良好的导性能、亲水性能，以及更高的表面电荷密度。此外，上述方法不仅简化了步骤，而且通过复合于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层的方式构成的发电基体，在吸附液体后，通过液体在发电基体迁移通道，从其中一侧朝向另一侧迁移扩散，利用不对称的方式并产生电势差和电流，具有较大的应用前景，且降低了制造成本，提高了生成效率。另外，通过原位生长方法制备的发电基体，其负载的二硫化钼导电层更加牢靠，亲水性和导电性能更优。
173.并且，通过图23所示的发电基体的xrd衍射图可知：上述原位生长方法的方法得到的二硫化钼导电层中二硫化钼特征峰位置大部分集中在9.6度附近，因此，二硫化钼导电层绝其包括的二硫化钼晶体的晶相绝大部分或100％为1t，因此，相比于采用球磨法或机械玻
璃得到的2h相且导电性较差的二硫化钼层，晶相为1t二硫化钼导电层的导电性、亲水性、表面电荷密度均更优，有利于促进二硫化钼与液滴的相互作用，提高发电性能。
174.本实施例中混合溶液的浓度与发电基体的电阻成反比关系，其中，current表示测试时当前发电基体输出的电流的数值，voltage表示测试时当前当前发电基体输出的电压；power表示测试时当前发电基体输出的功率。
175.另外，裁剪得到尺寸为1*4cm的发电基体，并在其一端分别分别滴入10ul，30ul和50ul、以及100ul的去离子水进行测试，得到如图24、图25、图27所示的时间与电压曲线图进行分析可知：
176.如27所示，将裁剪得到尺寸为1*4cm的发电基体在其一端滴入100ul的甲醇进行发电测试，其电压曲线持续时间约四百秒，电压先增大，后急剧减小，然后逐渐减小至0，其电压的变化趋势与发电基体的润湿过程相对应的。
177.如图24所示的可知：电压峰值与液体体积成正相关，液体体积越大，电压和电流信号持续的时间越长。发电基体可利用自然蒸发的方式去除水分，而不会持续发电，从而可实现对地下土壤中水位变化的监测，例如降雨导致一定深度处的土壤层含水量提高后，该处水分被发电基体监测到后产生电压或电阻信号的变化。
178.另外，根据相关的数据表明，将裁剪得到尺寸为1*4cm的发电基体在其一端滴入50ul的去离子水测量其电压、电流和基于电压电流计算其最大输出功率，对比滴入3mol/l的nacl溶液作为电解质溶液时产生的电压电流，如图所示，发电基体的产电电压电流使用3mol/l的nacl溶液时明显高于使用去离子水时产生的电压电流。
179.此外，根据相关实验数据表明，发电基体的重复使用的次数越多，其响应的电压值亦愈稳定。并且，发电基体上滴入液体后，发电基体的电阻会下降，且电阻的下降程度也与滴加的液体体积成正相关的关系。
180.另外，根据相关实验数据表明，将裁剪得到尺寸为1*4cm的发电基体至于高湿环境，例如湿度为85rh％至100rh％的环境中进行发电测试，以验证发电器件的发电量和环境湿度之间的关系，其中，在测试前，发电基体一半用透明胶带包覆以形成干区，另一部用于暴露与环境中以在吸附空气中的湿气后形成湿区，如图可知：当发电基体逐渐被湿气所吸附时，其产生的响应电压相对发电基体吸附去离子水时产生的响应电压的速度较慢。
181.如图24和图25所示，当液体为不同种类时，发电基体产生的电压和电流的响应不同，从而可根据采集的电压和电流数据，例如根据预先采集并拟合生成的电压和电流变化数据和液体种类相关的关系曲线，分析并判定对应的液体的种类，以实现对复杂的气象环境，例如地震、塌方、滑坡等极端气象下，对环境参数的监测，例如将发电基体沿其长度方向预埋入待监测的土壤中，以实现地下水的液位、土壤湿度或空气湿度等，在此不再作具体的限定和赘述。
182.实施例十
183.本实施例还提供了一种发电器件的制备方法，具体包括以下步骤：
184.步骤一；将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解至少30min后得到混合溶液。其中，需要说明的是，在该步骤中，取样0.6795g四水合钼酸胺粉末和1.256的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比，其中，四水合钼酸铵的浓度为17mg/g；硫脲的浓度为31mg/g。
185.步骤二:将所述混合溶液和具有迁移通道的亲水性基层至于反应釜中，在180℃下反应24h，以使得所述亲水性基层上原位生长二硫化钼，从而得到沉积有二硫化钼的亲水性基层，其中，至少有部分所述二硫化钼的晶相为1t；
186.步骤三:将所述沉积有二硫化钼的亲水性基层通过去离子水和或乙醇溶液交替洗涤后得到发电基体。
187.实施例十一
188.本实施例还提供了一种发电器件的制备方法，具体包括以下步骤：
189.步骤一；将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:30，充分搅拌溶解至少30min后得到混合溶液，其中，在该步骤中，取样1.359g四水合钼酸胺粉末和2.512g的硫脲粉末溶解于38ml的水中，得到上述摩尔质量比，其中，四水合钼酸铵的浓度为32.5mg/g；硫脲的浓度为60mg/g。
190.步骤二:将所述混合溶液和具有迁移通道的亲水性基层至于反应釜中，在180℃下以及2mpa的压力反应24h，以使得所述亲水性基层上原位生长二硫化钼，从而得到沉积有二硫化钼的亲水性基层，其中，至少有部分所述二硫化钼的晶相为1t；
191.步骤三:将所述沉积有二硫化钼的亲水性基层通过去离子水和或乙醇溶液交替洗涤后得到发电基体。
192.实验数据分析
193.表1：实施例1至8制备的发电基体的实验数据
[0194][0195][0196]
表2：实施例9至11制备的发电基体的实验数据
[0197][0198]
表3：实施例1中发电基体的浸渍烘干次数与对应的电阻数据
[0199]
[0200][0201]
通过上述实验数据分析可知：
[0202]
在实施例1至8中，通过预先制备二硫化钼粉末，然后再通过二硫化钼通过浸渍亲水性基层，例如滤纸上，以实现二硫化钼在亲水性基层上的沉积，从而形成发电基体，并可通过改变浸渍次数或二硫化钼浓度，调节发电基体的电阻值，例如通过提升浸渍烘干的次数，降低发电基体的电阻值，从而提升其导电性能。并且，通过相关的实验数据表明，发电基体的电阻值与浸渍的时间关联并不是很大，在上述120～180℃范围内，其形成的二硫化钼粉末质量较好，且产量较高，有助于提升二硫化钼在浸渍时，在亲水性基层上的沉积速率。
[0203]
而在实施例9至11中，可以通过改变混合溶液液的浓度，例如四水合钼酸铵和硫脲的浓度来调节亲水性基层上生长的二硫化钼的量，从而控制制备的发电基体的电阻值，以满足不同的环境下的信号采集的需求，此外，还可通过提升混合溶液液的浓度，降低发电基本的电阻值，从而提升其导电性能。
[0204]
实施例十二
[0205]
本实施例提供了一种发电器件，通过上述任意一实施例涉及的发电器件的制备方法进行制备，该发电器件包括：发电基体1，其中，所述发电基体1主要是由具有迁移通道的亲水性基层、沉积于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层等构成。其中，如图1所示，二硫化
钼导电层沉积并附着于亲水性基层的表面上，渗透进入内部的缝隙内并复合形成膜状基体。
[0206]
其中，所述发电基体1用于在吸附液体后，使得所述液体通过所述迁移通道，从其中一侧朝向另一侧迁移扩散，以产生电势差。
[0207]
通过上述结构和实验数据可知：当发电基体1上接触液体后，尤其是液体在与发电器件产生不对称接触的情况下，例如液体浸润发电基体1的其中一端时，液体在发电器件中从一端流向另一端，通过不对称的分布，在复合膜上形成明显的干区和湿区。并且，在被液体润湿的区域，二硫化钼表面吸附阳离子，形成双电层和电势差，从而产生电压和电流，实现自发电，并被对应的检测器件检测到，并且，由于发电基体1的体积较小，也无须复杂的结构，因而可在便于实现对液体的感应监测的同时，简化结构，降低成本，缩小体积。
[0208]
此外，随着液体逐渐浸润发电基体1时，其干区和湿区之间的电势差越来越大，并在到达最大数值后，随着干区逐渐被湿区所浸润，干区和湿区之间的电势差亦越来越小，即发电基体1产生的电压信号以及电流信号逐渐减小直至消失。
[0209]
或者，随着液体被蒸发，电压和电流逐渐减小直至消失，因此可循环利用，且实时实现对液体的液位，例如土壤中液体水位的监测，可实现对土壤中干区和湿区的变化的实时显示。
[0210]
进一步作为优选地，所述发电基体1的一端用于构成阳极12，另一端用于构成阴极11；所述水伏发电器件还包括：相对两端分别与所述阳极12和所述阴极11相连，以检测所述发电基体1的电压信号和电流信号的检测器件。另外，需要说明的是，滴入液体13的一端构成阴极11，也就是湿区构成阴极11，干燥区构成阳极12。
[0211]
在此，需要说明的是，本实施例中的检测器件优选为万用表、电化学工作站或数字源表等，其可以采用两个电极夹，分别夹持发电基体1的阴极11和阳极12，以实现对发电基体1的电压信号和电流信号的检测。
[0212]
进一步作为优选地，所述迁移通道为毛细通道。通过毛细通道可实现液体在发电基体1的亲水性基层自动扩散，并产生毛细效应，以实现液体在发电基体1上的不对称分布。
[0213]
进一步作为优选地，为了满足本实施例中发电基体1的制造需求，降低生产成本，所述亲水性基层为纤维素基层。此外，亲水性基层也可以根据设计为棉布，丝，涤纶织物等，在此，不再作具体的限定和赘述。
[0214]
进一步作为优选地，所述液体为去离子水、电解质溶液或极性有机溶剂中的任意一种。通过下列实验数据可知，当液体为不同种类时，发电基体1产生的电压和电流不同，从而可根据采集的电压和电流数据，例如根据预先采集并拟合生成的电压和电流变化数据和液体种类的关系曲线，分析并判定对应的液体的种类，以实现对复杂的气象环境，例如地震、塌方、滑坡等极端气象下，对环境参数的监测，例如将发电基体1沿其长度方向预埋入待监测的土壤中，以实现地下水的液位、土壤湿度或空气湿度等，在此不再作具体的限定和赘述。
[0215]
进一步作为优选地，电解质溶液为氯化钠、氯化钾、氯化锂、氯化镁、氯化钙，或盐酸等中的任意一种。当电解质溶液的种类不同时，发电基体1产生的电压和电流不同，从而可根据采集的电压和电流数据，分析并判定对应的电解质溶液的种类，以实现对复杂的气象环境，例如地震、塌方、滑坡等极端气象下，对环境参数的监测，例如土壤中地下水的液
位、土壤湿度或空气湿度等，在此不再作具体的限定和赘述。
[0216]
进一步作为优选地，极性有机溶剂为甲醇，乙醇，异丙醇，nn二甲基甲酰胺，丙酮，乙酸、甲酸等中的任意一种。当极性有机溶剂的种类不同时，发电基体1产生的电压和电流不同，从而可根据采集的电压和电流数据，分析并判定对应的极性有机溶剂的种类，以实现对复杂的气象环境，例如地震、塌方、滑坡等极端气象下的环境参数的监测，例如土壤中地下水的液位、土壤湿度或空气湿度等，在此不再作具体的限定和赘述。此外，通过该方式，可实现在特殊环境中的监测，例如化工厂的极性有机溶剂生产过程中，或者监测环境中极性有机溶剂等，以实现对环境中污染参数的监测。
[0217]
进一步作为优选地，所述二硫化钼导电层为沉积层；其中，所述二硫化钼导电层包括：若干个大小和形状不同的导电晶体构成的簇状结构，且至少有部分相邻的两个簇状结构彼此接触或相连。通过该结构，可实现二硫化钼导电层在任意一区域的实现导电，即使在未通过液体浸润的情况下，也具备导电性，同时由于其形状不同，使得液体在亲水性基层上扩散的过程中，使得非浸润区构成的干区的电势低于浸润区构成的湿区，从而形成电流。
[0218]
进一步作为优选地，发电器件根据所吸附的液体的种类不同可产生高至320mv的峰值开路电压。
[0219]
进一步作为优选地，发电器件根据所吸附的液体的种类不同可产生高至126ua的峰值短路电流。
[0220]
进一步作为优选地，发电器件以任一方式与液体接触会发生电阻响应。所述发电器件的电阻可根据二硫化钼导电层的含量进行调控。通过该结构，可实现发电器件的电阻的设计和控制，以便于控制发电器件在应用时产生的电压和电流，提升其灵敏度，以满足不同环境下的使用和监测需求。
[0221]
进一步作为优选地，至少有部分所述导电晶体为含氧的二硫化钼晶体当二硫化钼导电层中有部分导电晶体为富含氧掺杂的导电晶体时，可借助其亲水、表面电荷密度高性能，进一步提升其发电性能，即二硫化钼导电层单位体积内的电阻阻值，相比不含氧的二硫化钼晶体所对应的二硫化钼导电层单位体积内的电阻阻值大。
[0222]
进一步作为优选地，至少有部分所述二硫化钼的晶相为1t，或者，所述二硫化钼的晶相均为1t。
[0223]
采用晶相为1t的二硫化钼相比2h相二硫化钼，其导电性、亲水性、表面电荷密度均更优，更有利于促进二硫化钼与液体的相互作用，以提高发电性能。
[0224]
实施例十二
[0225]
本实施例还提供了一种检测装置，包括上述实施例一中的水伏发电器件。
[0226]
通过该检测装置，可以实现对复杂的气象环境，例如地震、塌方、滑坡等极端气象下的环境参数的监测，例如土壤中地下水的液位、土壤湿度或空气湿度等，在此不再作具体的限定和赘述。此外，通过该方式，可实现在特殊环境中的监测，例如化工厂的极性有机溶剂生产过程中，或者监测环境空气中极性有机溶剂的含量等，以实现对环境中污染参数的监测。
[0227]
具体地，如图35所示，本实施例中的检测装置还包括与发电基体电连接的处理芯片，用于采集发电基体产生的电压信号和电流信号以及电阻信号。
[0228]
其中，发电基体沿其长度方向预埋入待监测的土壤区中，以获取所述土壤区内的
液体浸润所述发电基体时，所述发电基体产生的电压信号和电流信号以及电阻信号。
[0229]
本实施例中的检测装置还包括与处理芯片以及外部终端电连接的通讯模块，以将采集的电压信号和电流信号以及电阻信号等信号数据，发送至外部的手机、电脑等终端6，以根据终端对该信号数据进行分析，以判断土壤中水位的变化，进而对灾害进行预警。
[0230]
进一步作为优选地，如图36所示，本实施例中的发电基体埋入土壤中后，至少有部分位于湿度较大的土壤区，至少有部分位于湿度较小或干燥的土壤区，以通过湿度较大的土壤区中的液体浸润发电基体，并向下朝向湿度较小或干燥的土壤区流动，从而产生自发电，并产生电压信号和电流信号以及电阻信号等信号数据，然后通过处理芯片获取该信号数据，以借助终端对收集的信号数据进行处理，判断土壤中湿度或水位变化等，并进行灾害分析。
[0231]
进一步作为优选地，发电基体从上至下依次埋入三个不同土质的土壤层5，例如位于顶部的湿润土层51、干燥土壤层52以及岩石层53等，以实现对湿润土层的监控。其中，发电基体可以垂直布置，也可以曲形的形式布置，以方便检测。
[0232]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限定，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

技术特征：
1.一种发电器件，其特征在于，包括：发电基体，其中，所述发电基体包括:具有迁移通道的亲水性基层；沉积于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层；其中，所述发电基体用于在吸附液体后，使得所述液体通过所述迁移通道，从其中一侧朝向另一侧迁移扩散，以产生电势差。2.根据权利要求1所述的水伏发电器件，其特征在于，所述发电基体的一端用于构成阳极，另一端用于构成阴极；所述水伏发电器件还包括：相对两端分别与所述阳极和所述阴极相连以检测所述发电基体的电压信号和电流信号的检测器件。3.根据权利要求1所述的水伏发电器件，其特征在于：所述迁移通道为毛细通道；所述亲水性基层为纤维素基层；所述液体为去离子水、电解质溶液或极性有机溶剂中的任意一种。4.根据权利要求1所述的水伏发电器件，其特征在于：所述二硫化钼导电层为沉积层；其中，所述二硫化钼导电层包括：若干个大小和形状不同的导电晶体构成的簇状结构，且至少有部分相邻的两个簇状结构彼此接触或相连。5.根据权利要求2所述的水伏发电器件，其特征在于：至少有部分所述导电晶体为含氧的二硫化钼晶体；至少有部分所述二硫化钼的晶相为1t，或者，所述二硫化钼的晶相均为1t。6.一种检测装置，其特征在于：包括根据权利要求1至5中任意一项所述的水伏发电器件。7.一种发电器件的应用，其特征在于，将权利要求1至5中任意一项所述的发电器件中的发电基体沿其长度方向预埋入待监测的土壤区中，以获取所述土壤区内的液体浸润所述发电基体时，所述发电基体产生的电压信号和电流信号，以及电阻信号。8.一种发电器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二硫化钼粉末分散到水中，得到浓度为20mg/g～100mg/g的二硫化钼溶液；对二硫化钼溶液进行超声波振荡处理至少0.5h，得到二硫化钼水相分散液；将具有迁移通道的亲水性基层置于二硫化钼分散液中，浸渍处理至少10s后取出后进行干燥处理后，得到发电基体。9.根据权利要求8所述的发电器件的制备方法，其特征在于，在所述将二硫化钼粉末分散到水中，得到浓度为20mg/g～100mg/g的二硫化钼溶液的步骤前还包括以下步骤：将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:14～1:30，充分搅拌溶解30min后得到混合溶液；将所述混合溶液至于反应釜中，在120～180℃下反应12～24h得到沉积物；将所述沉积物经洗涤烘干后得到二硫化钼粉末，其中，所述二硫化钼粉末的晶相为1t。10.一种发电器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将四水合钼酸胺与硫脲摩尔质量比为1:14～1:30，充分搅拌溶解至少30min后得到混合溶液；将所述混合溶液和具有迁移通道的亲水性基层至于反应釜中，在120～180℃下反应12～24h，以使得所述亲水性基层上原位生长二硫化钼，从而得到沉积有二硫化钼的亲水性基层；
将所述沉积有二硫化钼的亲水性基层通过去离子水和或乙醇溶液交替洗涤后得到发电基体，其中，所述二硫化钼的晶相为1t。

技术总结
本发明公开了一种发电器件、检测装置及制备方法及应用，发电器件包括：发电基体，该发电基体主要是由具有迁移通道的亲水性基层、沉积于所述亲水性基层上的二硫化钼导电层等构成。其中，所述发电基体用于在吸附液体后，使得所述液体通过所述迁移通道，从其中一侧朝向另一侧迁移扩散，以产生电势差，与现有技术相比，可便于实现对液体的感应监测，简化结构，降低成本，缩小体积。缩小体积。缩小体积。


技术研发人员：凌盛杰 任婧 文飘
受保护的技术使用者：上海科技大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/8/14