基于石墨烯衍生物的質子電池的制作方法
【技術領域】
[0001]在本文中描述的示例性和非限制性實施例一般涉及基于質子生成的能量存儲裝置，并且更特別涉及從石墨烯衍生物生成質子的電池。
【背景技術】
[0002]質子能夠被生成并且被存儲以用于燃料電池基元以及其它能量應用中。典型地使用鉑催化劑從氫氣生成質子，鉑催化劑一般是高成本的。質子的存儲可能也是有問題的。

【發(fā)明內容】

[0003]以下的
【發(fā)明內容】
僅僅旨在是示例性的。
【發(fā)明內容】
不旨在限制權利要求的范圍。
[0004]依照一個方面，裝置包括由具有酸性pH的氧化石墨烯形成的陽極；具有比所述陽極的所述酸性pH大的pH的陰極；以及在所述陽極和所述陰極上沉積的電荷收集器。
[0005]依照另一個方面，另一個裝置包括具有第一濃度的第一官能團的第一氧化石墨烯基材料；具有第二濃度的第二官能團的第二材料；由相鄰所述第二材料放置的并且與所述第二材料接觸的所述第一氧化石墨烯基材料的界面來限定的結；以及在所述第一氧化石墨烯基材料和所述第二材料中的每一個上形成的電極。質子被配置為通過水從所述第一氧化石墨烯基材料的第一官能團解離，并且被配置為基于跨越所述第一氧化石墨烯基材料與所述第二材料的PH梯度，能夠跨越結迀移到所述第二材料。
[0006]依照另一個方面，方法包括從第一氧化石墨烯基材料的官能團解離氫以形成質子；導致質子從所述第一氧化石墨烯基材料跨越結擴散到第二材料；并且基于所述質子到所述第二材料的擴散確定表示電壓的值。
【附圖說明】
[0007]在以下描述中結合【附圖說明】前述方面和其它特征，其中:
[0008]圖1是濃差電池基元(concentrat1n cell)的一個示例性實施例的示意性表示；
[0009]圖2是用于質子生成的系統(tǒng)的一個不例性實施例的不意性表不；
[0010]圖3是基于圖2的系統(tǒng)的G0質子電池的一個示例性實施例；
[0011]圖4是包括用于形成在其兩端測量電勢的結的兩種氧化石墨烯基材料的電裝置的一個示例性實施例的示意性表示；
[0012]圖5是圖示圖3的G0質子電池的以各種電流密度的放電速率的圖形表示；
[0013]圖6A和6B是G0質子電池以不同的放電電流的放電速率的圖形表示；
[0014]圖7A是濕度對G0質子電池的影響的圖形表示；
[0015]圖7B是在低濕度環(huán)境中被測試的G0質子電池的繪畫表示；
[0016]圖8A和8B是在大氣氣氛(ambient atmosphere)的在GO質子電池上的接觸影響的圖形表示；
[0017]圖9是用于G0質子電池的連續(xù)放電和充電曲線的圖形表示；
[0018]圖10是驗證來自G0的質子的生成的放電速率曲線的圖形表示；
[0019]圖11是由絲網(wǎng)印刷制成的圖4的電裝置的銀板電極的繪畫表示；
[0020]圖12是圖4的電裝置的跨越G0-rG0結測量的電壓的圖形表示；以及
[0021]圖13是使用圖3的G0質子電池或者圖4的電裝置的一個示例性方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0022]參照圖1，濃差電池基元(cell)的一個示例性實施例的示意性表示一般由參考標記100來指定，并且在下文中被稱為“電池基元100”。雖然將參考在附圖中示出的示例性實施例來描述特征，應當理解，特征可以以許多替換形式來體現(xiàn)。另外，可使用任何合適的尺寸、形狀或類型的元素或材料。
[0023]電池基元100包括具有第一濃度的離子115的第一半電池基元110和具有第二濃度的離子125的第二半電池基元120。通過隔膜(membrane) 130，第一半電池基元110的離子115與第二半電池基元的離子125分離。當電池基元100嘗試達到均衡時，作為跨隔膜130的離子迀移的結果，電池基元100生成電壓。一般地，電池基元100可由以下項來限定:AgAgCl (S) LiCl (Cl) L1-Hg (xl) -Hg (xl) -LiLiCl (C2) AgCl (S) Ag、AgAgCl (S) LiCl (Cl)LiCl(C2)AgCl ⑶ Ag 等。
[0024]可對于不同的濃度梯度來計算電池基元100的電壓。例如，如果第一半電池基元110具有質子濃度al和4的PH，并且如果第二半電池基元120具有質子濃度a2和13的PH，根據(jù)能斯特方程E = (RT/F)*ln(al/a2)，電池基元100的電壓是56.39mV。
[0025]現(xiàn)在參照圖2，可通過Hu_er方法制作包括具有大約4的pH的氧化石墨烯(G0)溶液210的系統(tǒng)200。當堿(例如，Κ0Η)被添加到G0溶液210以調節(jié)pH到13，G0的官能化和/或還原發(fā)生(例如，表面官能團改變)。同樣，描述系統(tǒng)200的質子化的一個提出的機制(其中mGO表明改性G0)可以被寫為:
[0026]G0+H20 — mGO +H30+ (質子)
[0027]因此，在系統(tǒng)200的示例性實施例中，水220被用作燃料以從石墨烯基衍生物240 (例如，G0)生成質子230。從石墨烯基衍生物240 (例如，G0)生成的質子230可用于制作具有超級電容器特性的質子電池。
[0028]現(xiàn)在參照圖3，G0質子電池(其區(qū)別于圖1的電池基元100)的一個示例性實施例一般由參考標記300來指定，并且在下文中被稱為“電池300”。一般地，電池使用電極以存儲離子(例如，鋰離子可被存儲在電池中，質子可被存儲在燃料電池基元中等)。一些電池可使用水培凝膠來存儲質子。在一種類型的質子電池中，陽極一般是Zn和ZnSOj^混合物，并且陰極一般是Μη02。聚合質子電池也可使用V205和PbO 2作為陰極，以及Zn和ZnSO 4的混合物作為陽極。這樣的電池也使用包含質子的酸性電解質溶液。這些電池的結構和材料本質上不同于電池300。
[0029]電池300使用基于系統(tǒng)200 (從圖2)的G0電極作為動力(dynamic)源以生成質子。水的存在促進質子的生成。具有水和較高pH介質的G0電極的配置使電池300成為動力電池。換言之，在通過連續(xù)的化學反應放電之后，電池300能夠立即使其本身再生。特別地，在沒有外部能量輸入的情況下，電池300可自動地被充電以返回至開路電壓。結果是低功率、能量自主的裝置。
[0030]在一個示例性實施例中，電池300包括由第一電荷收集器315和來自低pH墨(ink)的G0 (例如，來自Hummer方法的原始G0或具有大約1到大約4的pH的G0溶液)形成的陽極310。第一電荷收集器315可包括例如Au、Cr、Ag、Al、Cu、ITO(氧化銦錫)、前述材料的組合等。
[0031]電解質320可相鄰陽極310來定位，以有利于和/或控制在陽極310和陰極330之間的質子擴散，如下所述。電解質320可包括質子導體膜或以諸如基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物(例如，NAF10N等)之類的合成離聚物形式的隔膜，或者它可包括優(yōu)化的液體電解質和/或具有優(yōu)化的和受控的水蒸汽濃度以提供作為燃料的水的水蒸汽。在采用電解質320的實施例中，電解質320的膜或隔膜在陽極與陰極330之間形成結。電解質320可被封裝到電池組中或者作為質子導電膜且具有特定量的濕度。
[0032]陰極330相鄰陽極310來定位，或者在采用電解質320的實施例中，相鄰電解質320來定位。陰極330由諸如被涂覆到不銹鋼網(wǎng)(mesh)電極上的Κ0Η之類的堿形成，或者它可包括來自高pH墨(例如，具有大約13或14的pH或者至少具有高于陽極的pH的pH的GO墨)的G0。第二電荷收集器335(包括例如411、038、八1、(:11、11'0、前述材料的組合等)被包括于陰極330。
[0033]在另一個示例性實施例中，電池300可包括G0陰極和由高pH墨(大約13的pH)形成的G0基的陽極(例如，還原的G0(rG0))。例如，電池300的結構可以是Au_G0/濕度15%/Au-G0(pH = 13)。電池300的該實施例可通過如下方式來制造:在由滴鑄(drop cast)方法沉積的兩個不同的G0膜的頂部，堆疊作為電荷收集器的兩個金電極。
[0034]在操作期間，當潮濕的空氣存在時(例如，當相對濕度大約是30%時)，電池300可生成在大約1伏(V)的數(shù)量級的開路電壓。電池300可在充分放電之后展現(xiàn)其電壓在數(shù)分鐘內的快速恢復，并且沒有外部能量的應用。只要G0沒有完全被消耗用于質子的生成，該恢復對電池300再充電，并且通過電解質320與潮濕空氣的接觸或者電解質320到特定濕度水平的暴露來實施。
[0035]使用印刷技術