本发明涉及湿气发电器件领域，具体涉及一种双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法及应用。
背景技术：
1、随着全球对能源的需求不断增长，人们对环境保护和气候变化的关注也不断提升，传统发电方式如用煤炭、石油等化石燃料发电的弊端越来越明显，其带来了全球升温、资源枯竭等问题。因此，寻找高效、简单的可再生资源是缓解能源危机、实现可持续发展的一种方式。湿气发电作为一种很有发展前途的新型能源转换和收集技术，备受关注。湿气发电的主要工作机理是功能材料吸收外界环境中的水分子后，通过电离出的离子定向移动产生电势差，形成电压。
2、目前，相关湿气发电器件的制备工艺过程比较繁琐，难以实现大规模生产。同时，发电材料的结构设计也存在问题，限制了其发电效率。比如：单一材料制备的湿气发电器件只能依靠外界环境提供的湿气气流才能产生电压，限制发电效率和应用场景；没有较大比表面积的湿气发电器件，由于水分子难以进入，也会导致发电效率和发电量降低。
3、静电纺丝技术制备得到的纤维膜具有较大的比表面积和孔隙率，该技术制备的湿气发电器件能快速吸附湿气，电离扩散产生电压。通过增强电荷密度，可使得发电速度加快，发电量增加。但是，由于亲水性材料在经多次吸湿循环后，纤维结构变得不稳定，出现部分溶解现象，导致湿气发电性能降低，循环周期减小。
4、因此，采用更简单的方法制备一种具有较大比表面积、较高吸湿循环稳定性的纳米纤维膜，对于开发湿气发电器件具有非常重要的意义。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是提供一种双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法及应用，将两种具有不同亲水基团含量的交联高分子聚合物溶液通过静电纺丝的方法逐层纺丝得到具有亲水基团浓度差异的双层纳米纤维膜，可快速吸附湿气，具有较快的响应速率和更高的电流电压输出，且具有较稳定的循环性能，避免了现有技术中的湿气发电器件发电效率和发电量低，以及循环稳定性差的问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法，包括如下步骤：
3、s1、取两份含有亲水基团的高分子聚合物分别溶解于去离子水中，随后分别添加交联剂进行交联反应，得到具有不同亲水基团含量的交联高分子聚合物溶液a和b；
4、s2、分别在交联高分子聚合物溶液a和b中添加纳米银分散液，混合得到纳米银掺杂的纺丝液a和b；
5、s3、将纳米银掺杂的纺丝液a和b通过静电纺丝法逐层纺丝，得到具有不同亲水基团含量的双层纳米纤维膜；
6、s4、将双层纳米纤维膜中亲水基团含量较高的一侧与打孔铝片贴合作为上电极，并将亲水基团含量较低的一侧与ito导电玻璃贴合作为下电极，将上电极和下电极连接导线并固定得到双层复合纳米纤维膜湿气发电器件。
7、本发明通过静电纺丝法制备的纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙率，能够实现水分子的快速吸附和脱附，有效提高了湿气发电的响应速率。此外，较高的比表面积增加了水分子的吸附量，提高了发电器件的发电性能。
8、本发明采用逐层纺丝的方法，制备得到的具有不同亲水基团含量的双层纳米纤维膜，与传统重力沉积、激光刻蚀等方法相比，可实现纤维膜结构梯度可控，且不同亲水基团含量的纳米纤维膜间可紧密结合，避免了因层间分离而导致的离子扩散传输障碍。同时，不同亲水基团含量的双层纳米纤维膜增加了吸湿后上下电极间的离子浓度差异，提高了器件的输出电压。
9、进一步的，所述交联高分子聚合物溶液a和b满足以下条件中的至少一种：
10、(1)采用不同种类的所述含有亲水基团的高分子聚合物；
11、(2)添加不同种类和/或不同量的所述交联剂。
12、本发明通过改变高分子聚合物的种类、改变交联剂的种类、改变交联剂的添加量，或者其他方式，实现交联高分子聚合物溶液a和b中具有不同的亲水基团含量。
13、进一步的，所述含有亲水基团的高分子聚合物为聚乙烯醇(pva)、聚乙烯亚胺(pei)、聚烯丙基胺、海藻酸钠(sa)、聚丙烯酸(paa)中的一种或多种。
14、进一步的，所述聚乙烯醇、聚乙烯亚胺、聚烯丙基胺总的添加量为纺丝液质量的6％-9％，所述海藻酸钠、聚丙烯酸总的添加量为纺丝液质量的0％-0.8％。
15、进一步的，所述交联剂为戊二醛、硼酸、甲苯二异氰酸酯、柠檬酸、环氧氯丙烷中的一种或几种，所述交联剂的添加量为纺丝液质量的1％-5％。
16、进一步的，所述交联反应的温度为50-80℃，反应时间为3-6h。
17、本发明通过添加交联剂实现交联反应，相对于后整理方法，能更有效地控制纤维膜的交联程度。通过亲水高分子间的交联，有效避免了因吸湿后纳米纤维溶解而造成的结构坍塌，从而提高了复合纳米纤维膜的吸湿发电循环稳定性，可实现高湿度下的循环发电。
18、进一步的，所述纳米银的粒径为5-50nm，所述纳米银的添加量为纺丝液质量的30-100ppm。由于湿气发电器件长期吸湿循环易造成细菌滋生，通过掺杂纳米银制备含有纳米银的纳米纤维膜，在吸湿过程中会释放银离子，这不仅有利于增加离子的释放量，在一定程度上提高发电性能，还能有效抑制细菌生长，避免湿气发电器件在使用过程中被微生物破坏，保证其长期使用稳定性。
19、进一步的，所述纳米银分散液的溶剂为水。
20、进一步的，所述静电纺丝的速度为0.1-0.5ml/h，电压为17-20kv，接收辊筒转速为100-600rpm/min，接收距离15-20cm。
21、进一步的，所述双层纳米纤维膜中亲水基团含量较高一层的纳米纤维膜的厚度为60-80μm，亲水基团含量较低一层的纳米纤维膜的厚度为40-60μm，所述双层纳米纤维膜的厚度为100-140μm。
22、进一步的，所述双层纳米纤维膜的抑菌率为99％以上，具有优异的抗菌性能。
23、进一步的，所述打孔铝片上孔均匀分布，孔径为1-3mm，孔的总面积占铝片总面积的10％-20％。
24、进一步的，s4中所述固定具体通过绝缘胶带卷绕固定。
25、本发明第二方面提供第一方面所述制备方法制备获得的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件。
26、本发明第三方面提供第二方面所述的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件在湿气源监测、人体呼吸和运动监测、环境湿气能量与电能的转换与采集领域中的应用。
27、进一步的，所述应用中将两个以上的所述双层复合纳米纤维膜湿气发电器件串联或并联。将两个以上的所述双层复合纳米纤维膜湿气发电器件串联或并联，可满足应用中对湿气发电器件电压和电流的需求，同时具有良好的循环稳定性。
28、本发明的有益效果：
29、本发明通过改变高分子聚合物的种类、交联剂的种类或添加量等方式，制备具有不同的亲水基团含量的交联高分子聚合物溶液，进而制备不同亲水基团含量的双层纳米纤维膜，增加了吸湿后上下电极间的离子浓度差异，提高了器件的输出电压。
30、本发明通过静电纺丝法制备的纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙率，能够实现水分子的快速吸附和脱附，有效提高湿气发电的响应速率，同时，有效增加水分子的吸附量，提高发电器件的发电性能；通过逐层方式的方式，可实现纤维膜结构梯度可控，且不同亲水基团含量的纳米纤维膜层间可紧密结合，避免了因层间分离而导致的离子扩散传输障碍。
31、本发明添加交联剂实现高分子聚合物的交联反应，相对于后整理方法，能更有效地控制纤维膜的交联程度；通过亲水高分子间的交联，有效避免了因吸湿后纳米纤维溶解而造成的结构坍塌，从而提高了复合纳米纤维膜的吸湿发电循环稳定性，可实现高湿度下的循环发电。
32、本发明通过掺杂纳米银制备含有纳米银的纳米纤维膜，在吸湿过程中释放银离子，不仅有利于增加离子的释放量，提高发电性能，还能有效抑制细菌生长，避免湿气发电器件在使用过程中被微生物破坏，保证其长期使用的稳定性。
1.一种双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法，其特征在于，所述交联高分子聚合物溶液a和b满足以下条件中的至少一种：
3.如权利要求1所述的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法，其特征在于，所述含有亲水基团的高分子聚合物为聚乙烯醇、聚乙烯亚胺、聚烯丙基胺、海藻酸钠、聚丙烯酸中的一种或多种。
4.如权利要求3所述的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇、聚乙烯亚胺、聚烯丙基胺总的添加量为纺丝液质量的6％-9％，所述海藻酸钠、聚丙烯酸总的添加量为纺丝液质量的0％-0.8％。
5.如权利要求1所述的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法，其特征在于，所述交联剂为戊二醛、硼酸、甲苯二异氰酸酯、柠檬酸、环氧氯丙烷中的一种或几种，所述交联剂的添加量为纺丝液质量的1％-5％。
6.如权利要求1所述的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法，其特征在于，所述纳米银的粒径为5-50nm，所述纳米银的添加量为纺丝液质量的30-100ppm。
7.如权利要求1所述的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的速度为0.1-0.5ml/h，电压为17-20kv，接收辊筒转速为100-600rpm/min，接收距离15-20cm。
8.如权利要求1所述的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件的制备方法，其特征在于，所述双层纳米纤维膜中亲水基团含量较高一层的纳米纤维膜的厚度为60-80μm，亲水基团含量较低一层的纳米纤维膜的厚度为40-60μm。
9.一种权利要求1-8任一项所述制备方法制备获得的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件。
10.一种权利要求9所述的双层复合纳米纤维膜湿气发电器件在湿气源监测、人体呼吸和运动监测、环境湿气能量与电能的转换与采集领域中的应用。
