CN103236494B - 一种碳基纳米电源的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制备和组装碳基纳米应变电源的方法。本发明利用碳基纳米材料，通过施加外力使其形变改变能带结构，进而在电解液环境中其吸附与传导电荷能力发生明显变化，当与原始状态的碳基纳米材料构成回路体系时，将产生电压输出。本发明可以在很小范围内提供较高电压和电流。同时，碳基纳米材料的结构稳定性好，纳米应变电源的使用寿命长。本发明方法所制备的碳基纳米电源可用于能源、信息、生物医学领域。

Description

一种碳基纳米电源的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备碳基纳米电源的方法，属于纳米器件领域。

背景技术

在过去的几十年时间里，纳米科学技术在纳米电子学、光电子学、材料科学、化学、生物等领域取得了许多突破性进展，大量新型的纳米材料与纳米器件不断被开发出来，并在生物医学、信息、能源以及人们日常生活的各个领域中展现出前所未有的应用前景。这些成果的取得对人类社会的文明进步、可持续发展等将产生深远影响。

在纳米科技中，纳米器件的制作与应用最为重要，其中驱动纳米器件运行的微纳电源是关键技术之一。由于纳米器件所消耗的功率极低，如能开发和利用周围环境中存在的能量，如太阳能、风能、热能、机械能等，用于纳米器件的工作能源，将对纳米科技的发展具有重要作用和意义。近年来，大量的研究工作在纳米发电机方面取得了突破性进展。例如，王中林等利用氧化锌（ZnO）纳米线所特有的压电和耦合特性成功地研制出纳米发电机。他们以α-Al₂O₃为基底，以金纳米颗粒为催化剂，通过气-液-固（VLS）机理生长出ZnO纳米线阵列。然后，借助原子力显微镜针尖拨动ZnO纳米线，使其产生弯曲和恢复直立，发现在这个过程中可以把纳米尺度的机械能转变成为电能。这项研究成果为纳米发电机的发明和推广奠定了坚定的基础。随后，相应的由超声波驱动的纳米发电机、由不同频率的振动噪声驱动的纳米发电机等相继被设计和研发出来，进一步表明了制备和组装纳米发电机的可行性与广阔应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种碳基纳米电源的制备方法。

本发明为解决上述技术问题所提供的技术方案和步骤如下：

（1）制备出碳纳米材料，采用化学转移法或旋转涂覆法将碳纳米材料转移至柔性聚合物薄片上；

（2）通过蒸镀、电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成导电薄膜，导电薄膜在碳纳米材料表面形成微电极，能将碳纳米材料表面电荷导出；

（3）将两片步骤（2）所得的附着有碳纳米材料和导电薄膜的聚合物薄片置于电解质环境中，通过导电薄膜引出电极，分别作为纳米电源的两极；拉伸或弯曲其中一片聚合物薄片，使得附着在聚合物表面的碳纳米材料发生形变，从而使得纳米电源的两极输出电压。

上述方案中的碳基纳米材料作为电极材料，并且碳基纳米材料的制备方法不受限制。可以采用化学气相沉积法、溶液法、微弧放电法、机械剥离法、外延生长法、火焰法等各种方法。

所述的纳米纳米材料可以为石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、富勒烯，或它们的氮掺杂材料等。

所述的聚合物材料必须绝缘、柔性，可以在一定尺度内拉伸或弯曲，例如聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯，聚偏氟乙烯等。聚合物薄片的厚度可以为1-100mm。

所述的导电薄膜的材质可以为铟锡金属氧化物、金、银、铂、铝、镍、铜中的一种。

步骤（3）中，拉伸或弯曲柔性聚合物薄片，形变范围控制在0.1%-20%。

所述电解质为可溶性盐溶液（浓度为0.1-10mol/L）或固态电解质。形变状态下的碳基纳米材料的吸附与传导电荷能力会发生明显变化。因此，在于原始状态的碳基纳米材料构成的回路体系中，很容易实现电压输出。

本发明所提供的纳米电源可以并联或串联，组成一种纳米应变电源组，使得电压输出范围在mV-V范围内可调。

本发明利用碳基纳米材料，通过施加外力（机械作用）使其形变（拉伸、弯曲等）改变能带结构，进而在电解液环境中其吸附与传导电荷能力发生明显变化，因此，当与原始状态的碳基纳米材料构成回路体系时，将产生电压输出。我们还可以通过不同的设计与组装，达到输出电压在mV－V区间内可调。与之前的金属氧化物（ZnO）纳米线电源相比，基本原理完全不同。另外，碳基纳米材料的碳原子间连接极其柔韧。受到外力时，碳原子面发生变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。

本发明提供的纳米电源的有益效果还在于：碳基纳米材料的比表面积大，可以很小范围内提供较高的电压和电流。同时，碳基纳米材料的结构稳定性好，纳米应变电源的使用寿命长。本发明方法所制备的碳基纳米电源可用于能源、信息、生物医学领域。

附图说明

图1为本发明实施例中的纳米应变电源的电极示意图；

图2为本发明实施例中的纳米应变电源组的电极示意图；

图3为本发明一实施例纳米应变电源产生化学电势的工作原理示意图；

图4为纳米应变电源原始电极和拉伸后电极的形貌照片；

图5为纳米应变电源的输出电压结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步阐述，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。

实施例1

将机械剥离法制备出的石墨烯片层转移至10mm厚聚二甲基硅氧烷表面。采用过光刻技术在石墨烯表面涂覆银薄膜作为电极材料引线。电极示意图如图1所示。使用两片石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜分别作为纳米应变电源的两极，使用0.1mol/L的Na₂SO₄溶液作为纳米应变电源的电解液。拉动其中一极，使石墨烯的应变量达到1%，即可得到大约2mV左右的电压。

实施例2

将外延生长法制备出的石墨烯片层（多片）转移至30mm厚聚甲基丙烯酸甲酯表面。采用过电子束曝光技术在多片石墨烯表面涂覆金薄膜作为电极材料引线，形成石墨烯电极组。电极组示意图，如图2所示。使用两片石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜分别作为纳米应变电源的两极，使用1mol/L的KCl溶液作为纳米应变电源的电解液。拉动其中一极，使石墨烯组的应变量达到2%，即可得到大约0.4V左右的电压。碳基纳米应变电源组产生化学电势工作原理图，如图3所示。

实施例3

采用旋转涂覆将化学气相沉积法制备出的富勒烯涂覆在50mm厚聚偏氟乙烯表面。采用真空蒸镀技术在富勒烯薄膜表面涂覆镍薄膜作为电极材料引线。分别使用两片富勒烯/聚偏氟乙烯薄膜作为纳米应变电源的两极，使用5mol/L的NaCl溶液作为纳米应变电源的电解液。拉动其中一极，使富勒烯薄膜的应变量达到5%，如图4所示。即可得到大约3mV左右的电压。

实施例4

采用旋转涂覆将火焰法制备出的碳纳米管涂覆在100mm厚聚偏氟乙烯表面。采用真空蒸镀技术在碳纳米管薄膜表面涂覆铝薄膜作为电极材料引线。分别使用两片碳纳米管/聚偏氟乙烯薄膜作为纳米应变电源的两极，使用10mol/L的K₂SO₄溶液作为纳米应变电源的电解液。拉动其中一极，使石墨烯的应变量达到10%，即可得到大约8mV左右的电压。通过反复拉伸，还原即可得到电压对应拉伸和还原的输出量，如图5所示。

Claims (8)

1.一种碳基纳米电源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）制备出碳纳米材料，采用化学转移法或旋转涂覆法将碳纳米材料转移至柔性聚合物薄片上；

（2）通过蒸镀、电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成导电薄膜，导电薄膜在碳纳米材料表面形成微电极，能将碳纳米材料表面电荷导出；

（3）将两片步骤（2）所得的附着有碳纳米材料和导电薄膜的聚合物薄片置于电解质环境中，通过导电薄膜引出电极，分别作为纳米电源的两极；拉伸或弯曲其中一片聚合物薄片，使得附着在聚合物表面的碳纳米材料发生形变，从而使得纳米电源的两极输出电压。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碳基纳米材料为石墨烯、碳纳米纤维、富勒烯，或它们的氮掺杂材料。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碳基纳米材料采用化学气相沉积法、溶液法、微弧放电法、机械剥离法、外延生长法或火焰法制备。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的聚合物为聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯或聚偏氟乙烯，聚合物薄片的厚度为1-100mm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的导电薄膜为铟锡金属氧化物、金、银、铂、铝、镍、铜中的一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，拉伸或弯曲柔性聚合物薄片，形变范围控制在0.1%-20%。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述电解质为可溶性盐溶液或固态电解质。

8.权利要求1所述的制备方法制备的纳米电源并联或串联成的碳基纳米电源组。