本發(fā)明涉及智能高分子材料能源領域。更具體地，涉及一種自支撐液晶在能源轉換器件中的應用。

背景技術：

1、在能源危機和環(huán)境污染的背景下，探索清潔、可再生、可持續(xù)的能源是迫切需要的。從不同離子濃度的水中提取的鹽度梯度能量被認為是可以替代化石燃料的潛在藍色能源，有望緩解能源短缺和環(huán)境污染等全球性問題。反向電滲析是一種基于膜的新興技術，可以驅動離子通過離子選擇膜實現(xiàn)發(fā)電功能。具有納米通道的納米流體系統(tǒng)因其在控制離子和分子在水溶液中的輸運方面的優(yōu)勢而受到人們的廣泛關注。例如，蠶絲纖維、mxenes材料和芳綸納米纖維來構建納米流體器件且實現(xiàn)了鹽差發(fā)電功能。然而上述材料機械性能較差，無法實現(xiàn)大面積制備。同時，鹽差發(fā)電的功率也是實用化過程中重要指標之一。如何獲得強度高的，適用于提高鹽差發(fā)電的功率的材料并將其用于鹽差發(fā)電中是本領域技術人員的重要研究方向。

技術實現(xiàn)思路

1、基于以上問題，本發(fā)明的目的在于提供一種自支撐液晶在能源轉換，尤其是鹽差發(fā)電中的應用，以實現(xiàn)高效率的鹽度梯度能量轉換。

2、為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

3、一種自支撐液晶在能源轉換器件中的應用。

4、進一步地，將所述自支撐液晶用于鹽差發(fā)電中。

5、進一步地，所述自支撐液晶以膜的形式應用于鹽差發(fā)電中，且膜的厚度為5-50μm。

6、進一步地，所述自支撐液晶的相態(tài)為近晶相或向列相。

7、本技術方案中，自支撐液晶的相態(tài)也影響其在鹽度梯度能量轉換中的應用效果。本技術方案中發(fā)現(xiàn)，當自支撐液晶的相態(tài)為近晶相或向列相時，具有高效率的鹽度梯度能量轉換。而當自支撐液晶的相態(tài)近晶相時，前述效果最好。優(yōu)選地，所述自支撐液晶的相態(tài)為近晶相。

8、進一步地，所述自支撐液晶的各層結構之間包含二維定向納米通道且該二維定向納米通道在堿性條件下帶負電。

9、進一步地，所述自支撐液晶中的二維定向納米通道中含有氫鍵連接的羧基。

10、進一步地，所述二維定向納米通道的尺寸為1-10nm，優(yōu)選為1-3nm。納米通道尺寸過大或是過小，不僅難于制備，也會對離子傳輸不利。

11、進一步地，所述自支撐液晶的材質為芳香族液晶化合物和/或脂肪族液晶化合物。

12、在反向電滲析過程中所使用膜的物理化學結構性能在鹽度梯度能量轉換中起著重要的作用。膜固有電阻和離子選擇性是影響能量轉換效率的主要因素。因此，低膜電阻和高離子選擇性是提高能量轉換的關鍵。根據(jù)離子傳輸過程分析，降低離子傳輸路徑是降低膜阻的有效手段本技術方案中構建的含有氫鍵連接的羧基的具有二維定向納米通道的離子交換膜是提高鹽差發(fā)電功率的有效技術手段。

13、進一步地，所述自支撐液晶的制備包括如下步驟：

14、1)將具有聚乙烯醇取向層的玻璃片組裝成液晶盒；

15、2)將液晶單體、交聯(lián)劑和光引發(fā)劑的混合體系在105℃下灌入液晶盒，隨后使體系降溫；

16、3)光照聚合；

17、4)將體系升溫至135℃保持5分鐘，得到所述自支撐液晶。

18、在上述自支撐液晶的制備中，可以通過改變液晶盒的間隔墊的厚度來控制自支撐液晶的厚度。

19、進一步地，所述液晶盒基材選自普通玻璃、石英片或者硅片。隨后在基材涂覆聚乙烯醇取向層。

20、進一步地，所述光照聚合的條件為：采用1-5mw/cm2?365nm的光照聚合5-20分鐘。

21、進一步地，所述光引發(fā)劑為光引發(fā)劑184。

22、進一步地，所述液晶單體為

23、進一步地，所述交聯(lián)劑為

24、

25、進一步地，所述應用包括如下步驟：

26、將所述自支撐液晶進行堿處理；

27、將經過堿處理后的自支撐液晶置于裝置池中，且使得該經過堿處理后的自支撐液晶的第一表面和相對與所述第一表面的第二表面分別置于濃度不同的氯化鈉溶液中；

28、外接電阻，實現(xiàn)鹽差發(fā)電。

29、上述應用中，將自支撐液晶通過堿處理后，其納米通道內羧基間的氫鍵被破壞，使納米通道帶負電從而具有選擇性通過陽離子能力。進而將其應用在鹽差發(fā)電中可以有效的將鹽度梯度能量轉變?yōu)殡娔堋?/p>

30、可以理解，該自支撐液晶的第一表面和第二表面是相對的兩個表面，且其方向為垂直于該自支撐液晶中各層結構的層面。在自支撐液晶材料沿著膜厚兩側分別是濃度不同的氯化鈉溶液。

31、進一步地，所述外接電阻中電阻的大小為101-107ω，優(yōu)選為103-105ω。此時功率密度更大，更優(yōu)選為104ω。

32、進一步地，所述氯化鈉溶液包括但不限于來自于自然界的河水/海水的混合、自然界的河水/鹽湖水的混合、氯化鈉水溶液、自然界海水、自然界鹽湖水等。

33、進一步地，所述堿處理的方法包括如下步驟：

34、將所述自支撐液晶置于堿性溶液中，放置時間為5-15分鐘。

35、進一步地，所述堿性溶液的ph為9-12，更優(yōu)選為11。

36、進一步地，所述堿性溶液中的堿性物質為氫氧化鈉。

37、上述應用中，經過堿處理后的自支撐液晶的第一表面和相對與所述第一表面的第二表面分別置于濃度不同的氯化鈉溶液中也即，經過堿處理后的自支撐液晶的第一表面與經過堿處理后的自支撐液晶的第二表面兩者所處的氯化鈉溶液之間具有濃度差。

38、進一步地，所述經過堿處理后的自支撐液晶的第一表面和相對與所述第一表面的第二表面分別置于濃度差在5-100倍濃度差(示例性的，濃度差包括但不限于為5-50倍、10-50倍、20-50倍、30-50倍、40-50倍等)的氯化鈉溶液中。

39、進一步地，所述經過堿處理后的自支撐液晶的第一表面或第二表面之一所處的氯化鈉溶液的濃度為0.01mol/l；和

40、所述經過堿處理后的自支撐液晶的第一表面或第二表面的另一者所述的氯化鈉溶液的濃度為0.05-10mol/l，示例性的可為0.05-5mol/l、0.05mol/l、0.5mol/l和5mol/l。

41、本發(fā)明的有益效果如下：

42、本發(fā)明的技術方案提供的應用中，采用特定結構的液晶用于能源轉換器件尤其是鹽差發(fā)電中，實現(xiàn)了高效率的鹽度梯度能量轉換。

技術特征：

1.一種自支撐液晶在能源轉換器件中的應用。

2.根據(jù)權利要求1所述的應用，其特征在于，將所述自支撐液晶用于鹽差發(fā)電中。

3.根據(jù)權利要求1所述的應用，其特征在于，所述自支撐液晶以膜的形式應用于鹽差發(fā)電中，且膜的厚度為5-50μm。

4.根據(jù)權利要求1所述的應用，其特征在于，所述自支撐液晶的相態(tài)為近晶相或向列相，優(yōu)選為近晶相。

5.根據(jù)權利要求1所述的應用，其特征在于，所述自支撐液晶的各層結構之間包含二維定向納米通道且該二維定向納米通道在堿性條件下帶負電；

6.根據(jù)權利要求1-5任一項所述的應用，其特征在于，所述自支撐液晶的制備包括如下步驟：

7.根據(jù)權利要求6所述的應用，其特征在于，所述光照聚合的條件為：采用1-5mw/cm2365nm的光照聚合5-20分鐘。

8.根據(jù)權利要求1-5任一項所述的應用，其特征在于，包括如下步驟：

9.根據(jù)權利要求8所述的應用，其特征在于，所述堿處理的方法包括如下步驟：

10.根據(jù)權利要求8所述的應用，其特征在于，所述經過堿處理后的自支撐液晶的第一表面和相對與所述第一表面的第二表面分別置于濃度差在5-100倍濃度差的氯化鈉溶液中；

技術總結
本發(fā)明公開一種自支撐液晶在能源轉換器件中的應用。優(yōu)選為將所述自支撐液晶用于鹽差發(fā)電中。該應用實現(xiàn)了高效率的鹽度梯度能量轉換。

技術研發(fā)人員：王京霞,劉俊超,江雷
受保護的技術使用者：中國科學院理化技術研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/11/26