本發(fā)明涉及電材料。更具體地說，本發(fā)明涉及一種離子凝膠材料、碳微米管離子熱電超級電容器及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、化石燃料供應(yīng)不足和消費增長造成的能源短缺是人類面臨的最重要問題之一。造成能源形勢嚴峻的根本原因之一在于能源利用效率低下，而有效利用余熱有助于改善目前能源狀況。發(fā)電技術(shù)相對落后，制約了余熱或其他熱能的有效利用?；谌惪诵?yīng)的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，即熱電發(fā)電機(teg)和熱源電池(tgcs)。盡管研究人員進行了深入研究，并在熱電性能方面取得了重大進展，但這些熱電設(shè)備在低品位廢熱(通常溫度低于200℃)條件下的塞貝克系數(shù)較低，從而導(dǎo)致這些熱電設(shè)備在低品位廢熱(通常溫度低于200℃)下的熱電轉(zhuǎn)換性能較差。且這些設(shè)備涉及的昂貴化學(xué)品和復(fù)雜設(shè)計總是限制了它們的進一步應(yīng)用。此外，這種熱電轉(zhuǎn)換不具備儲能功能。
2、碳納米管(cnts)因其特殊的結(jié)構(gòu)、獨特的電子機械和化學(xué)性質(zhì)及其各種應(yīng)用。然而它們的內(nèi)徑相對較小，阻礙了大直徑反應(yīng)物種或反應(yīng)物的進入，cnts作為反應(yīng)器或通道的潛力受到了很大限制。因此，具有較大內(nèi)間距的碳微管(cmts)是制備離子熱電凝膠材料的潛在導(dǎo)電材料，具有良好的熱電性能、無毒性、柔性伸展性、溫度敏感性和壓力敏感性。因此，如何利用這些常用的材料設(shè)計一種具有多功能傳感特性離子凝膠材料，以及具有較高熱電轉(zhuǎn)換性能的電容器，特別是提高低品位廢熱(通常溫度低于200℃)下的熱電轉(zhuǎn)換性能，且具有儲能功能，對于促進碳微管的開發(fā)和應(yīng)用有著重要的意義。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對上述問題，本發(fā)明提供一種離子凝膠材料、碳微米管離子熱電超級電容器及其制備方法和應(yīng)用，制備了壓力溫度多功能傳感特性的cmts/kcl/明膠離子熱電凝膠，并以cmts/kcl/明膠離子熱電凝膠為電解質(zhì)，以cmts/mno2/泡沫銅電極，組裝了柔性可拉伸離子熱電超級電容器，此電容器可作為儲能器件、具有良好的電化學(xué)性能、以及實現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)化與儲，特別是在低溫度梯度下實現(xiàn)熱電壓輸出，可用于將低階熱能轉(zhuǎn)化為電能并進行實時的儲存和利用。
2、為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種離子凝膠材料的制備方法，包括：
3、制備碳微米管分散液，將碳微米管分散液、明膠與氯化鉀混合均勻，成型干燥得到所述離子凝膠材料；其中，碳微米管、明膠與氯化鉀的比例為：20～40mg：25～30wt％：0.8m。
4、優(yōu)選的是，所述的離子凝膠材料的制備方法中，碳微米管、明膠與氯化鉀的比例為：30mg：30wt％：0.8m。
5、優(yōu)選的是，所述的離子凝膠材料的制備方法中，具體包括：
6、(1)將碳微米管分散于去離子水中，緩慢加入十二烷基苯磺酸鈉作為表面活性劑，攪拌至溶解；繼續(xù)加入hcl，進行超聲分散和細胞粉碎處理，得到碳微米管分散液；
7、(2)將上述碳微米管分散液、明膠與氯化鉀按30mg：30wt％：0.8m的比例混合，并在60℃的油浴鍋中攪拌，取出得到混合均勻的離子凝膠；將離子凝膠倒入模具中冷卻成型，將固化后的凝膠取出，在空氣室溫條件下干燥，得到離子凝膠材料。
8、一種離子凝膠材料，由任一上述制備方法制得。
9、一種上述任一制備方法制得的離子凝膠材料在溫度傳感器和/或壓力傳感器中的應(yīng)用。
10、一種碳微米管離子熱電超級電容器的制備方法，以上述任一所述制備方法制得的離子凝膠材料為電解質(zhì)，與電極組裝形成所述碳微米管離子熱電超級電容器。
11、優(yōu)選的是，所述的碳微米管離子熱電超級電容器的制備方法中，制備碳微米管負載mno2，然后涂覆于電極表面，再與所述離子凝膠材料組裝形成碳微米管離子熱電超級電容器。
12、優(yōu)選的是，所述的碳微米管離子熱電超級電容器的制備方法中，離子凝膠的厚度為1～1.5mm。
13、一種由上述任一所述碳微米管離子熱電超級電容器的制備方法制得的碳微米管離子熱電超級電容器。
14、一種由上述任一所述碳微米管離子熱電超級電容器的制備方法制得的碳微米管離子熱電超級電容器作為室溫和寒冷環(huán)境中收集低品位熱能器件的應(yīng)用；或作為實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換的同時完成電能儲存器件的應(yīng)用。
15、本發(fā)明至少包括以下有益效果：
16、1、本發(fā)明利用提出了一種具有熱電效應(yīng)和溫度與壓力傳感監(jiān)測能力的柔性可拉伸cmts/kcl/明膠復(fù)合材料。所制備的cmts/kcl/明膠復(fù)合材料的seebeck系數(shù)為4mv/k，抗拉強度為1.7mpa，具有柔性和可拉伸性以及對溫度和壓力的響應(yīng)等優(yōu)點。此外，cmts/氯化鉀/明膠傳感器還能以接觸和非接觸模式實時檢測材料表面的溫度差，并對壓力刺激產(chǎn)生響應(yīng)。當(dāng)同時受到壓力和溫度信號的刺激時，cmts/氯化鉀/明膠傳感器會對兩種信號都做出響應(yīng)，而且檢測到的電壓明顯高于僅通過壓力感應(yīng)產(chǎn)生的電壓。此外，在實際應(yīng)用中，cmts/氯化鉀/明膠傳感器還能監(jiān)測人體(手指、手臂)的運動以及人體與環(huán)境之間的溫差。這些發(fā)現(xiàn)為生產(chǎn)和利用具有多信號檢測功能的柔性傳感器提供了一種新策略。
17、2、本發(fā)明以cmts/kcl/gelatin復(fù)合材料為固態(tài)電解質(zhì)，以碳微米管cmts原位合cmts/mno2活性材料，以泡沫銅為集流器制備電容器電極，組裝新型離子熱電超級電容器。通過向電極中添加cmts/mno2，改善電容器的電化學(xué)性能，離子電導(dǎo)率最大達到14.2ms/cm，掃速為50mv/s時，面積比電容可達152.2mf/cm2。離子熱電超級電容器兼具電化學(xué)儲能之外，還可將低階熱能轉(zhuǎn)化為電能，所組裝的離子熱電超級電容器在δt＝20k下，實現(xiàn)了81.6mv較高的離子熱電壓的輸出，電容器產(chǎn)生4.12mv/k的塞貝克系數(shù)。此外，離子熱電超級電容器還可將轉(zhuǎn)化的電能實時輸出到外電路點亮led，證明離子熱電超級電容器在熱能-電能轉(zhuǎn)化領(lǐng)域有著巨大的潛力。
18、本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
1.一種離子凝膠材料的制備方法，其特征在于，包括：
2.如權(quán)利要求1所述的離子凝膠材料的制備方法，其特征在于，碳微米管、明膠與氯化鉀的比例為：30mg：30wt％：0.8m。
3.如權(quán)利要求1所述的離子凝膠材料的制備方法，其特征在于，具體包括：
4.一種離子凝膠材料，其特征在于，由權(quán)利要求1～3任一制備方法制得。
5.一種權(quán)利要求1～3任一制備方法制得的離子凝膠材料在溫度傳感器和/或壓力傳感器中的應(yīng)用。
6.一種碳微米管離子熱電超級電容器的制備方法，其特征在于，以權(quán)利要求1～3任一所述制備方法制得的離子凝膠材料為電解質(zhì)，與電極組裝形成所述碳微米管離子熱電超級電容器。
7.如權(quán)利要求6所述的碳微米管離子熱電超級電容器的制備方法，其特征在于，制備碳微米管負載mno2，然后涂覆于電極表面，再與所述離子凝膠材料組裝形成碳微米管離子熱電超級電容器。
8.如權(quán)利要求7所述的碳微米管離子熱電超級電容器的制備方法，其特征在于，離子凝膠的厚度為1～1.5mm。
9.一種由權(quán)利要求6～8任一所述碳微米管離子熱電超級電容器的制備方法制得的碳微米管離子熱電超級電容器。
10.一種由權(quán)利要求6～8任一所述碳微米管離子熱電超級電容器的制備方法制得的碳微米管離子熱電超級電容器作為室溫和寒冷環(huán)境中收集低品位熱能器件的應(yīng)用；或作為實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換的同時完成電能儲存器件的應(yīng)用。