CN107275477A - 一种碳基应变电源的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳基应变电源的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)石墨烯片层的制备：将碳纤维、碳酸氢钠颗粒、异丙醇依次加入到球磨罐中球磨得到石墨烯片层；(2)石墨烯片层的附着：采用化学转移法或旋转涂覆法将石墨烯片层附着在柔性聚合物薄片上；(3)微电极的制备：通过电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成导电薄膜，导电薄膜在石墨烯片层表面形成微电极；(4)碳基应变电源的制备：将两片附着有石墨烯片层和导电薄膜的聚合物薄片置于电解质环境中，通过拉伸或弯曲其中一片聚合物薄片产生输出电流。本发明的制备方法简单易重复，节约能耗，制得的碳基应变电源可以提供较大且稳定的电压和电流。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种碳基应变电源的制备方法。
背景技术
随着现代社会的发展和能源危机的来临，探索和寻找新能源材料、开发新能源是人类的永恒课题。自基于ZnO纳米线压电效应的压电式碳基应变电源问世以来，又出现多种基于纳米材料和纳米结构，以及不同纳米效应的新型碳基应变电源。
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纳米电源是关键技术之一。由于纳米器件所消耗的功率极低，能够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。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。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。因此，研制出一种电压输出稳定、结构牢固的碳基应变电源以满足纳米器件的供电需求具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种碳基应变电源的制备方法，该制备方法简单易重复，节约能耗，制得的碳基应变电源可以提供较大且稳定的电压和电流，适用于能源领域、信息领域、生物医学领域的供电。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明提供了一种碳基应变电源的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯片层的制备：将碳纤维、碳酸氢钠颗粒、异丙醇依次加入到球磨罐中，其中，碳纤维与碳酸氢钠颗粒的质量比为3～6:1，异丙醇的用量为碳纤维质量的20～30倍；球磨罐放入球磨机中，20～30℃下以500～800r/min的转速球磨2～3小时后得到该石墨烯片层；
（2）石墨烯片层的附着：采用化学转移法或旋转涂覆法将石墨烯片层附着在柔性聚合物薄片上；
（3）微电极的制备：通过电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成导电薄膜，导电薄膜在石墨烯片层表面形成微电极，将石墨烯表面的电荷导出；
（4）碳基应变电源的制备：将两片步骤（2）所得的附着有石墨烯片层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，分别作为碳基应变电源的阴极和阳极；通过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石墨烯片层发生形变，两极产生输出电流。
优选地，所述步骤（1）制备的石墨烯片层厚度为3～6nm。
优选地，所述步骤（1）碳纤维与碳酸氢钠颗粒的质量比为5:1，异丙醇的用量为碳纤维质量的26倍。
优选地，所述步骤（2）柔性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中的一种。
优选地，所述步骤（3）导电薄膜为Au、Pd、Pt、CuI2、ITO～SnO2、CuS形成的薄膜之一。
优选地，所述步骤（4）电解质选自可溶性盐溶液或固态电解质。
优选地，所述可溶性盐溶液为氯化钾溶液或氯化钠溶液。
优选地，所述步骤（4）拉伸或弯曲聚合物薄片的形变率控制在10～40%。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明的碳基应变电源的制备方法，简单易重复，节约能耗，通过施加外力改变能带结构就可以在电解液环境下提供较大且稳定的电压和电流，且可以并联或串联的方式组合成碳基应变电源组，电压的可调范围控制在mV～V之间。
（2）本发明的碳基应变电源采用碳纤维材料作为导电材料，该材料的比表面积大，抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa，强度达到了普通钢的100倍，其电子迁移率可达到2×105cm2/V·s，约为硅中电子迁移率的140倍，砷化镓的20倍，温度稳定性高，电导率可达108Ω/m，在较小的范围内便可以输出较大的电压和电流，而且结构稳定，使用寿命长。
具体实施方式
以下结合具体实施例对发明作进一步详细的描述。
实施例1.
一种碳基应变电源的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯片层的制备：将碳纤维5g、碳酸氢钠颗粒1.67g、异丙醇100g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨机中，20～30℃下以500～800r/min的转速球磨2～3小时后得到该石墨烯片层，石墨烯片层厚度为3～6nm。
（2）石墨烯片层的附着：采用化学转移法或旋转涂覆法将石墨烯片层附着在聚甲基丙烯酸甲酯薄片上。
（3）微电极的制备：通过电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成Pt导电薄膜，导电薄膜在石墨烯片层表面形成微电极，将石墨烯表面的电荷导出。
（4）碳基应变电源的制备：将两片步骤（2）所得的附着有石墨烯片层和导电薄膜的聚合物薄片置于氯化钾溶液中，通过导电薄膜引出电极，分别作为碳基应变电源的阴极和阳极；通过拉伸或弯曲其中一片聚合物薄片，形变率控制在10～40%，使得附着在聚合物表面的石墨烯片层发生形变，两极产生输出15μA的电流。
实施例2.
一种碳基应变电源的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯片层的制备：将碳纤维5g、碳酸氢钠颗粒1g、异丙醇130g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨机中，20～30℃下以500～800r/min的转速球磨2～3小时后得到该石墨烯片层，石墨烯片层厚度为3～6nm。
（2）石墨烯片层的附着：采用化学转移法或旋转涂覆法将石墨烯片层附着在聚二甲基硅氧烷薄片上。
（3）微电极的制备：通过电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成CuS导电薄膜，导电薄膜在石墨烯片层表面形成微电极，将石墨烯表面的电荷导出。
（4）碳基应变电源的制备：将两片步骤（2）所得的附着有石墨烯片层和导电薄膜的聚合物薄片置于氯化钠溶液中，通过导电薄膜引出电极，分别作为碳基应变电源的阴极和阳极；通过拉伸或弯曲其中一片聚合物薄片，形变率控制在10～40%，使得附着在聚合物表面的石墨烯片层发生形变，两极产生输出20μA的电流。
实施例3.
一种碳基应变电源的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯片层的制备：将碳纤维5g、碳酸氢钠颗粒1.25g、异丙醇130g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨机中，20～30℃下以500～800r/min的转速球磨2～3小时后得到该石墨烯片层，石墨烯片层厚度为3～6nm。
（2）石墨烯片层的附着：采用化学转移法或旋转涂覆法将石墨烯片层附着在聚甲基丙烯酸甲酯薄片上。
（3）微电极的制备：通过电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成Au导电薄膜，导电薄膜在石墨烯片层表面形成微电极，将石墨烯表面的电荷导出。
（4）碳基应变电源的制备：将两片步骤（2）所得的附着有石墨烯片层和导电薄膜的聚合物薄片置于固态电解质中，通过导电薄膜引出电极，分别作为碳基应变电源的阴极和阳极；通过拉伸或弯曲其中一片聚合物薄片，形变率控制在10～40%，使得附着在聚合物表面的石墨烯片层发生形变，两极产生输出18μA的电流。
实施例4.
一种碳基应变电源的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯片层的制备：将碳纤维5g、碳酸氢钠颗粒1.3g、异丙醇125g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨机中，20～30℃下以500～800r/min的转速球磨2～3小时后得到该石墨烯片层，石墨烯片层厚度为3～6nm。
（2）石墨烯片层的附着：采用化学转移法或旋转涂覆法将石墨烯片层附着在聚二甲基硅氧烷薄片上。
（3）微电极的制备：通过电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成Pd导电薄膜，导电薄膜在石墨烯片层表面形成微电极，将石墨烯表面的电荷导出。
（4）碳基应变电源的制备：将两片步骤（2）所得的附着有石墨烯片层和导电薄膜的聚合物薄片置于氯化钾溶液中，通过导电薄膜引出电极，分别作为碳基应变电源的阴极和阳极；通过拉伸或弯曲其中一片聚合物薄片，形变率控制在10～40%，使得附着在聚合物表面的石墨烯片层发生形变，两极产生输出16μA的电流。
实施例5.
一种碳基应变电源的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯片层的制备：将碳纤维5g、碳酸氢钠颗粒1.46g、异丙醇140g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨机中，20～30℃下以500～800r/min的转速球磨2～3小时后得到该石墨烯片层，石墨烯片层厚度为3～6nm。
（2）石墨烯片层的附着：采用化学转移法或旋转涂覆法将石墨烯片层附着在聚偏氟乙烯薄片上。
（3）微电极的制备：通过电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成CuI2导电薄膜，导电薄膜在石墨烯片层表面形成微电极，将石墨烯表面的电荷导出。
（4）碳基应变电源的制备：将两片步骤（2）所得的附着有石墨烯片层和导电薄膜的聚合物薄片置于氯化钠溶液中，通过导电薄膜引出电极，分别作为碳基应变电源的阴极和阳极；通过拉伸或弯曲其中一片聚合物薄片，形变率控制在10～40%，使得附着在聚合物表面的石墨烯片层发生形变，两极产生输出15μA的电流。
实施例6.
一种碳基应变电源的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯片层的制备：将碳纤维5g、碳酸氢钠颗粒1.53g、异丙醇145g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨机中，20～30℃下以500～800r/min的转速球磨2～3小时后得到该石墨烯片层，石墨烯片层厚度为3～6nm。
（2）石墨烯片层的附着：采用化学转移法或旋转涂覆法将石墨烯片层附着在聚偏氟乙烯薄片上。
（3）微电极的制备：通过电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成Pt导电薄膜，导电薄膜在石墨烯片层表面形成微电极，将石墨烯表面的电荷导出。
（4）碳基应变电源的制备：将两片步骤（2）所得的附着有石墨烯片层和导电薄膜的聚合物薄片置于固态电解质中，通过导电薄膜引出电极，分别作为碳基应变电源的阴极和阳极；通过拉伸或弯曲其中一片聚合物薄片，形变率控制在10～40%，使得附着在聚合物表面的石墨烯片层发生形变，两极产生输出18μA的电流。
实施例7.
一种碳基应变电源的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯片层的制备：将碳纤维5g、碳酸氢钠颗粒1.3g、异丙醇115g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨机中，20～30℃下以500～800r/min的转速球磨2～3小时后得到该石墨烯片层，石墨烯片层厚度为3～6nm。
（2）石墨烯片层的附着：采用化学转移法或旋转涂覆法将石墨烯片层附着在聚甲基丙烯酸甲酯薄片上。
（3）微电极的制备：通过电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成ITO～SnO2导电薄膜，导电薄膜在石墨烯片层表面形成微电极，将石墨烯表面的电荷导出。
（4）碳基应变电源的制备：将两片步骤（2）所得的附着有石墨烯片层和导电薄膜的聚合物薄片置于氯化钾溶液中，通过导电薄膜引出电极，分别作为碳基应变电源的阴极和阳极；通过拉伸或弯曲其中一片聚合物薄片，形变率控制在10～40%，使得附着在聚合物表面的石墨烯片层发生形变，两极产生输出13μA的电流。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种碳基应变电源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）石墨烯片层的制备：将碳纤维、碳酸氢钠颗粒、异丙醇依次加入到球磨罐中，其中，碳纤维与碳酸氢钠颗粒的质量比为3～6:1，异丙醇的用量为碳纤维质量的20～30倍；球磨罐放入球磨机中，20～30℃下以500～800r/min的转速球磨2～3小时后得到该石墨烯片层；
（2）石墨烯片层的附着：采用化学转移法或旋转涂覆法将石墨烯片层附着在柔性聚合物薄片上；
（3）微电极的制备：通过电子束曝光或光刻技术在聚合物薄片表面生成导电薄膜，导电薄膜在石墨烯片层表面形成微电极，将石墨烯表面的电荷导出；
（4）碳基应变电源的制备：将两片步骤（2）所得的附着有石墨烯片层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，分别作为碳基应变电源的阴极和阳极；通过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石墨烯片层发生形变，两极产生输出电流。
2.根据权利要求1所述的碳基应变电源的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）制备的石墨烯片层厚度为3～6nm。
3.根据权利要求1所述的碳基应变电源的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）碳纤维与碳酸氢钠颗粒的质量比为5:1，异丙醇的用量为碳纤维质量的26倍。
4.根据权利要求1所述的碳基应变电源的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）柔性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中的一种。
5.根据权利要求1所述的碳基应变电源的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）导电薄膜为Au、Pd、Pt、CuI2、ITO～SnO2、CuS形成的薄膜之一。
6.根据权利要求1所述的碳基应变电源的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）电解质选自可溶性盐溶液或固态电解质。
7.根据权利要求6所述的碳基应变电源的制备方法，其特征在于，所述可溶性盐溶液为氯化钾溶液或氯化钠溶液。
8.根据权利要求1所述的碳基应变电源的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）拉伸或弯曲聚合物薄片的形变率控制在10～40%。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN103236494A (zh) * | 2013-04-18 | 2013-08-07 | 武汉大学 | 一种碳基纳米电源的制备方法 |
| CN105129776A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-12-09 | 合肥工业大学 | 一种少层石墨烯及其制备方法 |
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2017
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Patent Citations (2)
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