NiPd0.1合金单电极用于收集雨能

刘文萍

(中国海洋大学 材料科学与工程学院，山东 青岛 266100)

现在社会发展对化石燃料的高度依赖对未来低碳经济发展使得能源和环境负担日益严重。所以，寻求储存清洁的器件变得越来越重要。到目前为止，许多先进的新型能源设备已经可以收集太阳能，化学能源，风能，挥发物等自然能转化为电能。但是，几乎所有设备的总功率输出都受到地理条件的限制[1]。例如，在直射阳光照射下，光伏发电可以通过复杂的光电或光电化学过程以高功率转换效率将太阳能转换为电能，但是，在雨天等气候条件下，功率输出几乎为零。东南亚和南美地区雨水相当充沛，一年30%以上的时间都是雨天气候。但收集雨水能量仍然是一个具有挑战性的问题。根据机电能量转换原理，Wang[2]开发的摩擦纳米发电机将雨水能量转化为了电能。我们的团队开创了一种通过化学方式收集电能的新技术。对含有离子的雨水敏感的富集π电子结构的还原氧化石墨烯可以转换雨水能量为电能[3]。

本文采用模板法、恒流电沉积法、置换反应制备镍合金对电极，将其用于收集雨水能量。由于镍与钯金属电负性的不同，通过合金化作用，使Pd表面呈富电子状态。在雨天，合金表面的电子与雨水中的阳离子形成双电层赝电容，输出电信号。我们研究了合金类别、雨水强度对电信号的影响及进行信号稳定性测试，为进一步提高电量输出提供理论指导。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

六水硝酸锌；六亚甲基四胺，六水硫酸镍，氯化钯，硫酸，氯化钯，硝酸银，硝酸铜，氯化金，五氯化钼，盐酸，乙醇，导电玻璃(FTO)，以上试剂均为分析纯。仪器内包括电子天平，基础型实验室超纯水机，超声清洗机，WGLL-65BE电热鼓风干燥箱、CHI660E电化学工作站，医用注射泵。

1.2 氧化锌模板的制备

10 mmol/L六水合硝酸锌与10 mmol/L六亚甲基四胺水溶液混合。随后将FTO玻璃(12 Ω/m2)面朝上放在含以上的溶液的100 mL的水热釜中，移入电热鼓风干燥箱中95℃，4 h，空气冷却到室温，用去离子水完全的冲洗，在空气中晾干。

1.3 NiPd0.1单电极的制备

六水合硫酸镍溶解在去离子水中形成浓度0.05 mol/L的均匀溶液，随后氯化铵溶于上述溶液，控制浓度为0.02 mol/L。电沉积通过三电极电解池完成，这个三电极电解池：Pt电极作为对电极，FTO支撑的氧化锌作为工作电极，Ag/AgCl(3 mol/L KCl)电极作为参比电极。在空气中电流密度有0.25 mA/cm2，电沉积600 s。这个之后，基底浸入1 mmol/L的氯化物(钯/金/银/铜/钼)水溶液中15 min进行置换反应。最后，氧化锌纳米棒会用2 mmol/L的硫酸除掉获得最终的对电极。

1.4 电信号测试的方法

启动医用注射器，将模拟雨水注射到NiPd0.1薄膜电极的顶部，用导线将薄膜对电极与薄膜对电极的两端连接起来，连接到CHI660E电化学工作站上，雨水发电设备所输出的电流电压信号将在工作站上显示。其中连接两个电极与导线的接触点需要涂满银胶，防止模拟雨水滴溅，并且用乙酸乙酯共聚物热封两个电极。如果没有特别指出，默认注射器的注入速度为60 mL/h，模拟雨水为0.6 mol/L NaCl水溶液，NiPd0.1单电极以模拟雨水滴点之间横向距离为81.15 mm。每组数据测试重复至少40次。

2 结果分析

2.1 镍合金单电极的选择

为了研究各种镍合金(NiPd0.1、NiAu、NiAg、NiMo、NiCu)单电极的雨水发电能力，将0.6 mol/L NaCl模拟雨水滴在不同合金薄膜电极上进行信号测试。如图1所示，我们可以看出电流和电压峰平均值遵循：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相对优异的雨水发电能力，我们选取NiPd0.1单电极进行接下来的规律研究。

图1 不同镍合金的电流电压信号

2.2 雨水强度对NiPd0.1单电极电信号的影响

图2 不同滴速下的电流电压信号

为了研究雨水强度对电信号的影响。我们控制两个液滴之间的时间间隔来模拟降雨量，低速意味着轻度降雨，高速模拟强降雨。调整注射泵的滴速由10～300 Ml/h。根据图2看出，随着滴速从10 mL/h增加到300 mL/h，电流峰平均值从4.586 μA到2.666 μA，电压峰平均值从63.25 μV到8.75 μV。从得出结论：电流电压峰平均值与降雨强度成反比。其规律背后的潜在机制是随着模拟雨水滴速加快，在NiPd0.1单电极表面上雨滴膨胀会出现不完全恢复，因此降低了电压电路功率输出。

2.3 NiPd0.1单电极电信号稳定性

图3 电流电压信号稳定性图

设计雨天发电的储能器件的主要目的是将其应用于实际，解决能源危机和环境污染问题，并解决日益增长的能源需求与匮乏不足的传统能源之间的矛盾问题。所以，NiPd0.1单电极在在实际应用中收集雨能的稳定性也至关重要。为了表征稳定性特征，我们将模拟的雨滴(0.6 mol/L NaCl水溶液)以10 mL/h的注射速度滴在NiPd0.1薄膜单电极上，持续1 h甚至2 h。如图3所示。电流信号从0 s到8000 s，电流信号下降值低于20%。电压信号从0～6000 s，电压信号低于15%。因此，NiPd0.1单电极在收集雨水能量方面具有出色的耐久性。

3 总结

通过ZnO模板法制备的镍钯单电极具有优秀的单电极表面电子传输速度。NiPd0.1单电极成功收集雨能，电流达几微安，电压达几十微伏。初步结果表明，雨水强度越大，电流电压信号越弱。雨水发电的进一步研究，为全天候储能器件的结构设计提供新思路。