專利名稱：一種碳基納米電源的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備碳基納米電源的方法，屬于納米器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在過(guò)去的幾十年時(shí)間里，納米科學(xué)技術(shù)在納米電子學(xué)、光電子學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)、生物等領(lǐng)域取得了許多突破性進(jìn)展，大量新型的納米材料與納米器件不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并在生物醫(yī)學(xué)、信息、能源以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域中展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用前景。這些成果的取得對(duì)人類社會(huì)的文明進(jìn)步、可持續(xù)發(fā)展等將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在納米科技中，納米器件的制作與應(yīng)用最為重要，其中驅(qū)動(dòng)納米器件運(yùn)行的微納電源是關(guān)鍵技術(shù)之一。由于納米器件所消耗的功率極低，如能開(kāi)發(fā)和利用周圍環(huán)境中存在的能量，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、機(jī)械能等，用于納米器件的工作能源，將對(duì)納米科技的發(fā)展具有重要作用和意義。近年來(lái)，大量的研究工作在納米發(fā)電機(jī)方面取得了突破性進(jìn)展。例如，王中林等利用氧化鋅(ZnO)納米線所特有的壓電和耦合特性成功地研制出納米發(fā)電機(jī)。他們以a -Al2O3為基底，以金納米顆粒為催化劑，通過(guò)氣-液-固(VLS)機(jī)理生長(zhǎng)出ZnO納米線陣列。然后，借助 原子力顯微鏡針尖撥動(dòng)ZnO納米線，使其產(chǎn)生彎曲和恢復(fù)直立，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)過(guò)程中可以把納米尺度的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成為電能。這項(xiàng)研究成果為納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明和推廣奠定了堅(jiān)定的基礎(chǔ)。隨后，相應(yīng)的由超聲波驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)、由不同頻率的振動(dòng)噪聲驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)等相繼被設(shè)計(jì)和研發(fā)出來(lái)，進(jìn)一步表明了制備和組裝納米發(fā)電機(jī)的可行性與廣闊應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種碳基納米電源的制備方法。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所提供的技術(shù)方案和步驟如下:
(1)制備出碳納米材料，采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將碳納米材料轉(zhuǎn)移至柔性聚合物薄片上；
(2)通過(guò)蒸鍍、電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在碳納米材料表面形成微電極，能將石墨烯表面電荷導(dǎo)出；
(3)將兩片步驟(2)所得的附著有碳納米材料和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于電解質(zhì)環(huán)境中，通過(guò)導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為納米電源的兩極；拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，使得附著在聚合物表面的碳納米材料發(fā)生形變，從而使得納米電源的兩極輸出電壓。上述方案中的碳基納米材料作為電極材料，并且碳基納米材料的制備方法不受限制。可以采用化學(xué)氣相沉積法、溶液法、微弧放電法、機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、火焰法等各種方法。所述的納米納米材料可以為石墨烯、碳納米管、碳納米纖維、富勒烯，或它們的氮摻雜材料等。所述的聚合物材料必須絕緣、柔性，可以在一定尺度內(nèi)拉伸或彎曲，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為l-100mm。所述的導(dǎo)電薄膜的材質(zhì)可以為銦錫金屬氧化物、金、銀、鉬、鋁、鎳、銅或其合金中的一種。步驟(3)中，拉伸或彎曲柔性聚合物薄片，形變范圍控制在0.1%_20%。所述電解質(zhì)為可溶性鹽溶液(濃度為0.1-10 mol/L)或固態(tài)電解質(zhì)。形變狀態(tài)下的碳基納米材料的吸附與傳導(dǎo)電荷能力會(huì)發(fā)生明顯變化。因此，在于原始狀態(tài)的碳基納米材料構(gòu)成的回路體系中，很容易實(shí)現(xiàn)電壓輸出。本發(fā)明所提供的納米電源可以并聯(lián)或串聯(lián)，組成一種納米應(yīng)變電源組，使得電壓輸出范圍在mV-V范圍內(nèi)可調(diào)。本發(fā)明利用碳基納米材料，通過(guò)施加外力(機(jī)械作用)使其形變(拉伸、彎曲等)改變能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在電解液環(huán)境中其吸附與傳導(dǎo)電荷能力發(fā)生明顯變化，因此，當(dāng)與原始狀態(tài)的碳基納米材料構(gòu)成回路體系時(shí)，將產(chǎn)生電壓輸出。我們還可以通過(guò)不同的設(shè)計(jì)與組裝，達(dá)到輸出電壓在mV - V區(qū)間內(nèi)可調(diào)。與之前的金屬氧化物(ZnO)納米線電源相比，基本原理完全不同。另外，碳基納米材料的碳原子間連接極其柔韌。受到外力時(shí)，碳原子面發(fā)生變形，使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，從而保證了自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的納米電源的有益效果還在于:碳基納米材料的比表面積大，可以很小范圍內(nèi)提供較高的電壓和電流。同時(shí)，碳基納米材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，納米應(yīng)變電源的使用壽命長(zhǎng)。本發(fā)明方法所制備的碳基納米電源可用于能源、信息、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的納米應(yīng)變電源的電極示意 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的納米應(yīng)變電源組的電極示意圖； 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例納米應(yīng)變電源產(chǎn)生化學(xué)電勢(shì)的工作原理示意 圖4為納米應(yīng)變電源原始電極和拉伸后電極的形貌照片；
圖5為納米應(yīng)變電源的輸出電壓結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步闡述，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之內(nèi)。實(shí)施例1
將機(jī)械剝離法制備出的石墨烯片層轉(zhuǎn)移至10 _厚聚二甲基硅氧烷表面。采用過(guò)光刻技術(shù)在石墨烯表面涂覆銀薄膜作為電極材料引線。電極示意圖如圖1所示。使用兩片石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜分別作為納米應(yīng)變電源的兩極，使用0.1 mol/L的Na2SO4溶液作為納米應(yīng)變電源的電解液。拉動(dòng)其中一極，使石墨烯的應(yīng)變量達(dá)到1%，即可得到大約2 mV左右的電壓。實(shí)施例2
將外延生長(zhǎng)法制備出的石墨烯片層(多片)轉(zhuǎn)移至30 mm厚聚甲基丙烯酸甲酯表面。采用過(guò)電子束曝光技術(shù)在多片石墨烯表面涂覆金薄膜作為電極材料引線，形成石墨烯電極組。電極組示意圖，如圖2所示。使用兩片石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜分別作為納米應(yīng)變電源的兩極，使用I mol/L的KCl溶液作為納米應(yīng)變電源的電解液。拉動(dòng)其中一極，使石墨烯組的應(yīng)變量達(dá)到2%，即可得到大約0.4 V左右的電壓。碳基納米應(yīng)變電源組產(chǎn)生化學(xué)電勢(shì)工作原理圖，如圖3所示。實(shí)施例3
采用旋轉(zhuǎn)涂覆將化學(xué)氣相沉積法制備出的富勒烯涂覆在50 mm厚聚偏氟乙烯表面。采用真空蒸鍍技術(shù)在富勒烯薄膜表面涂覆鎳薄膜作為電極材料引線。分別使用兩片富勒烯/聚偏氟乙烯薄膜作為納米應(yīng)變電源的兩極，使用5 mol/L的NaCl溶液作為納米應(yīng)變電源的電解液。拉動(dòng)其中一極，使富勒烯薄膜的應(yīng)變量達(dá)到5%，如圖4所示。即可得到大約3 mV左右的電壓。實(shí)施例4
采用旋轉(zhuǎn)涂覆將火焰法制備出的碳納米管涂覆在100 mm厚聚偏氟乙烯表面。采用真空蒸鍍技術(shù)在碳納米管薄膜表面涂覆鋁薄膜作為電極材料引線。分別使用兩片碳納米管/聚偏氟乙烯薄膜作為納米應(yīng)變電源的兩極，使用10 mol/L的K2SO4溶液作為納米應(yīng)變電源的電解液。拉動(dòng)其中一極，使石墨烯的應(yīng)變量達(dá)到10%，即可得到大約8 mV左右的電壓。通過(guò)反復(fù)拉伸，還原即可得到電壓對(duì)應(yīng)拉`伸和還原的輸出量，如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種碳基納米電源的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)制備出碳納米材料，采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將碳納米材料轉(zhuǎn)移至柔性聚合物薄片上； (2)通過(guò)蒸鍍、電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在碳納米材料表面形成微電極，能將石墨烯表面電荷導(dǎo)出； (3)將兩片步驟(2)所得的附著有碳納米材料和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于電解質(zhì)環(huán)境中，通過(guò)導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為納米電源的兩極；拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，使得附著在聚合物表面的碳納米材料發(fā)生形變，從而使得納米電源的兩極輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的碳基納米材料為石墨烯、碳納米管、碳納米纖維、富勒烯，或它們的氮摻雜材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的碳基納米材料采用化學(xué)氣相沉積法、溶液法、微弧放電法、機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法或火焰法制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的聚合物為聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯或聚偏氟乙烯，聚合物薄片的厚度為l-100mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的導(dǎo)電薄膜為銦錫金屬氧化物、金、銀、鉬、招、鎳、銅或其合金中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，拉伸或彎曲柔性聚合物薄片，形變范圍控制在0.1%-20%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述電解質(zhì)為可溶性鹽溶液或固態(tài)電解質(zhì)。
8.權(quán)利要求1所述的納米電源并聯(lián)或串聯(lián)成的碳基納米電源組。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制備和組裝碳基納米應(yīng)變電源的方法。本發(fā)明利用碳基納米材料，通過(guò)施加外力使其形變改變能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在電解液環(huán)境中其吸附與傳導(dǎo)電荷能力發(fā)生明顯變化，當(dāng)與原始狀態(tài)的碳基納米材料構(gòu)成回路體系時(shí)，將產(chǎn)生電壓輸出。本發(fā)明可以在很小范圍內(nèi)提供較高電壓和電流。同時(shí)，碳基納米材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，納米應(yīng)變電源的使用壽命長(zhǎng)。本發(fā)明方法所制備的碳基納米電源可用于能源、信息、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01L41/22GK103236494SQ20131013528
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者潘春旭, 張?jiān)i, 葉禮 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)