CN102307024B - 一种基于石墨烯的流体发电装置或波动传感装置 - Google Patents
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Abstract
一种流体发电装置，它是在绝缘基底（1）上结合一层石墨烯薄膜层（2），在石墨烯薄膜层的两端分别有电极（3）和电极（4）。本发明利用流体波动在石墨烯表面的充放电效应，可以稳定获得5～50mV的输出电压。本发明装置结构简单，无转动或传动部件，原理上，通过多个发电单元的串联和并联可以有效提高发电装置的输出电压和电流，可作为小型负载的有效输出电源。此外，该流体发电装置的电压-波动速度特性可以用作流体波动强度的无源传感装置。本发明公开了其制法。
Description
技术领域
本发明涉及发电装置，特别涉及利用流体在石墨烯表面的充放电效应，将流体波动能转化为电能，构成交流流体发电装置。
背景技术
随着未来传感器、变换器、数据处理、控制单元和通讯系统的系统集成度越来越高，器件特征尺寸的不断减小，功能器件的能耗不断降低，商业化的器件如蓝牙通讯的功耗已低至10 nW/bit。无线无源设备可以实现无源、低功耗、无人看护的在线监测，并将数据实时传回，提高设备的运行效率，降低系统的维护成本。无线无源设备一般是从传感器或者控制器所在的环境中直接采集能量，如光能、热能、电磁波、震动能及其他形式的机械能等。
纳米技术在纳智能材料器件领域尤其是无线无源器件中发挥着越来越重要的作用。美国佐治亚理工学院的王中林教授研究组利用ZnO纳米线的压电特性，在纳米尺度范围内将机械能转化为电能，制成了将机械振动能、流体震动能等转变为电能的纳米发电机，通过器件集成其输出电压可至10 V，输出电流0.6 μA（Http://dx.doi.org/10.1021/nl201505c）。研究发现，气流在碳纳米管束上流动时会产生～mV级的电压，且气流速度和产生的电压具有线性关系，可以用作能量转化系统或者流体传感器（Science，2003，299，1042-1044）。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，费用低的流体发电装置。
为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种流体发电装置，其结构如图1所示，它是在绝缘基底（1）上结合一层石墨烯薄膜层（2），在石墨烯薄膜层的两端分别有电极（3）和电极（4）。
上述流体发电装置，所述的绝缘基底可以是任意的固体绝缘材料，如塑料、橡胶、玻璃等。
上述流体发电装置，所述的电极包括但不限于铜、铁、金、银等金属电极或其它任意导电材料，如ITO、PEDOT-PSS等。
一种制备上述流体发电装置的方法，它包括如下步骤：
（一）准备绝缘基底，洗净，氮气吹干；
（二）化学气相沉积生长石墨烯：以铜箔为基底，维持生长温度950~1000℃,通入甲烷和氢气，气体流量为甲烷25 sccm，氢气10 sccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在10sccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜箔上得到层数为1层或多层的石墨烯薄膜；
（三）石墨烯转移至基底上：将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂5% 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的苯甲醚溶液，苯甲醚挥发后将铜片置于0.1Mol/L氯化铁溶液中浸泡至铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA层，用稀盐酸和去离子水清洗后，将其转移到基底上，结合牢固后用丙酮溶解去PMMA层，得到转移到基底上的石墨烯薄膜层；
（四）电极制备：在石墨烯薄膜层两端制作电极（3）和（4）后，引出导线，用绝缘硅胶封装，即制得流体发电装置。
上述流体发电装置的制备方法，步骤（二）所述的石墨烯薄膜可以是外延生长或化学组装等方法制备的单层或多层石墨烯薄膜。
上述流体发电装置，发电时使用的流体包括海水、湖水、离子液体、盐溶液等任意具有可电离出离子的液体。
上述流体发电装置，发电时的运动状态可以是流体液面的上下波动，或流体发电装置在液体表面上下运动，且部分石墨烯露出液面。
上述流体发电装置，可以串联或并联获得更高的输出电压或电流。
上述流体发电装置，可以用作监测流体波动状态的传感器。
本发明利用流体波动在石墨烯表面的充放电效应，可以稳定获得5～50mV的输出电压。本发明装置结构简单，无转动或传动部件，原理上，通过多个发电单元的串联和并联可以有效提高发电装置的输出电压和电流，可作为小型负载的有效输出电源。此外，该流体发电装置的电压-波动速度特性可以用作流体波动强度的传感器。
附图说明
图1为流体发电装置的结构示意图；
图2为实施例1的流体发电装置；
图3为实施例1发电单元在氯化钠溶液中运动时的输出电压-时间关系；
图4为实施例2中浸入速度-电压关系；
图 5为实施例2中连续测试时电压变化和时间关系；
图6为实施例3的流体发电装置；
图 7为实施例3中发电装置输出电压-时间关系；
图 8为实施例4中发电单元在硫酸钠溶液中运动时的电压-时间关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
发电装置如图2所示，具体操作步骤如下：
（一）准备绝缘基底聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）：用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗PET膜各10min，氮气吹干。
（二）化学气相沉积生长石墨烯：以25微米厚铜箔为基底，维持生长温度950～1000℃,通入甲烷和氢气，气体流量为甲烷25 sccm，氢气10 sccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在10sccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜箔上得到层数为1-2层的石墨烯薄膜。
（三）石墨烯转移至PET膜：将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂5% PMMA苯甲醚溶液，苯甲醚挥发后将铜片置于0.1Mol/L氯化铁溶液中浸泡至铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA层，用稀盐酸和去离子水清洗后，将其转移到PET基底上，结合牢固后用丙酮溶解去PMMA层，得到转移到PET基底上的石墨烯薄膜层。
（四）电极制备：在石墨烯样品两端沉积Au电极（3）和（4）后，将引线焊接到金电极上，用绝缘硅胶封装。
（五）将在电极（3）和电极（4）之间连接至电压表或负载。
（六）将流体发电装置浸入0.1 Mol/L的氯化钠溶液过程中，速度为78 cm/s，在电压表观测到可产生～15 mV的电压，产生的电流在数个mA，如图3所示。从0.1 Mol/L的氯化钠溶液中提出流体发电单元，产生了～3 mV的反向电压。
实施例2：
流动发电装置作为波动传感器，具体操作步骤如下：
将实施例1制备的流体发电装置，改变流体发电装置浸入0.1 Mol/L氯化钠溶液的速度，可以得到浸入速度和电压具有一定线性关系，实例测量的速度范围为0.1～0.8 m/s，在浸入速度低于50cm/s时精度可达厘米级，结果见表1和图4所示。连续测试流体波动速度0.8m/s时产生电压与时间的关系，输出电压信号波动很小，结果如图 5所示。这表明该流体发电装置可用于流体波动传感器。
表1
| [0001] 速度（cm/s） | [0002] 电压（mV） |
| [0003] 7.8 | [0004] 4.34 |
| [0005] 10.5 | [0006] 5.03 |
| [0007] 14.3 | [0008] 6.10 |
| [0009] 17.2 | [00010] 7.15 |
| [00011] 20.2 | [00012] 8.07 |
| [00013] 23.6 | [00014] 9.60 |
| [00015] 28.0 | [00016] 10.24 |
| [00017] 30.7 | [00018] 10.82 |
| [00019] 34.3 | [00020] 12.08 |
| [00021] 78.0 | [00022] 21.05 |
实施例3：
发电装置如图6所示，具体操作步骤如下：
将2个按实施例1制备的流体发电装置串联后连接至电压表，两个发电装置同时在0.1Mol/L氯化钠溶液中运动，速度为80 cm/s，电压表观测到产生的电压约为单个流体发电单元的两倍（～30 mV）。结果如图 7所示。这表明该流体发电装置可以通过串联来提高输出电压。
实施例4：
流体发电装置，具体操作步骤如下：
使用与实施例1相同的实验装置，实施例2中可电离的电解液改用0.1 Mol/L的硫酸钠溶液，实验结果如图8所示。这表明该发电装置在不同的可电离电解液中均能有效输出电压。
Claims (8)
1.一种流体发电装置，其特征是：它是在绝缘基底（1）上结合一层石墨烯薄膜层（2），在石墨烯薄膜层的两端分别有电极（3）和电极（4），发电时的运动状态是流体液面的上下波动，或流体发电装置在液体表面上下运动，且部分石墨烯露出液面。
2.根据权利要求1所述流体发电装置，其特征是：所述的绝缘基底是任意的固体绝缘材料，包括塑料、橡胶、玻璃或石英。
3.根据权利要求1所述流体发电装置，其特征是：所述的电极包括但不限于铜、铁、金、银等金属电极或其它任意导电固体材料。
4.一种制备权利要求1所述流体发电装置的方法，它包括如下步骤：
（一）准备绝缘基底，洗净，氮气吹干；
（二）化学气相沉积生长石墨烯：以铜箔为基底，维持生长温度950～1000℃,通入甲烷和氢气，气体流量为甲烷25 sccm，氢气10 sccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在10sccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜箔上得到层数为1层或多层的石墨烯薄膜；
（三）石墨烯转移至基底上：将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂5% 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的苯甲醚溶液，苯甲醚挥发后将铜片置于0.1Mol/L氯化铁溶液中浸泡至铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA层，用稀盐酸和去离子水清洗后，将其转移到基底上，结合牢固后用丙酮溶解去PMMA层，得到转移到基底上的石墨烯薄膜层；
（四）电极制备：在石墨烯薄膜层两端制作电极（3）和（4）后，引出导线，用绝缘硅胶封装，即制得流体发电装置。
5.根据权利要求4所述流体发电装置的制备方法，其特征是：步骤（二）所述的石墨烯薄膜是外延生长或化学组装方法制备的单层或多层石墨烯薄膜。
6.根据权利要求1所述流体发电装置，其特征是：发电时使用的流体包括海水、湖水、离子液体、盐溶液等任意具有可电离性质的液体。
7.根据权利要求1所述流体发电装置，其特征是：所述的流体发电装置串联或并联可获得更高的输出电压或电流。
8.根据权利要求1所述流体发电装置，其特征是：它可用作监测流体波动状态的传感器。
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