CN104332556B - 能提高输出电流的纳米发电机的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能提高输出电流的纳米发电机的制备方法，按照如下步骤完成：(1)、将PDMS和固化剂混合均匀后平铺在器皿上，然后置于恒温干燥设备中干燥至PDMS膜为半干状态，得到PDMS底膜。(2)、将垂直生长的氧化锌纳米管阵列与其生长基底剥离，然后将剥离后的氧化锌纳米管水平排列部分嵌入半干的PDMS底膜中,将PDMS底膜切成备用尺寸。(3)、将制备好的银纳米线沉积在上述水平排列的氧化锌纳米管表面，然后引出一根铜线，再将PDMS与固化剂的混合物均匀覆盖在银纳米线上得到封装层，最后置于恒温干燥设备中干燥得到第一电极。(4)、将与PDMS底膜相同大小的铝箔作为第二电极，封装得到纳米发电机。本发明极大的提高了纳米发电机的输出电流。

Description

能提高输出电流的纳米发电机的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米发电机的制备方法，特别涉及一种能提高输出电流的纳米发电机的制备方法。

背景技术

当今世界，能源短缺和环境问题日益严重，可持续绿色无污染能源的寻求愈加迫切。能源问题成为影响人类进步和可持续发展的重大问题之一，各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼的进行之中。基于纳米器件的能源研究工作是在小尺度范围内进行的，虽然无法解决人类传统能源日益枯竭的问题，但却也足以影响到人们的日常生活，特别是移动式和便携式小型电子设备。2006年，美国佐治亚理工学院的王中林研究组首次提出了纳米发电机的理念，开辟了能源转化和应用的一个新的范畴。此后，各种类型的纳米发电机不断被研制出来。传统的压电纳米发电机是利用压电材料自身的压电效应来实现将各种形式的机械能转化为可利用的电能，摩擦纳米发电机是利用聚合物和金属之间的摩擦起电和静电感应的原理来将机械能转化为电能，但是单个发电机器件的输出电流和功率都不高，这在一定程度上阻碍了纳米发电机在实际生活中的应用。因此，迫切需要提高纳米发电机的输出电流和功率来满足当前特殊应用领域的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供另一种能提高输出电流的纳米发电机的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种能提高输出电流的纳米发电机的制备方法，其特征在于：按照如下步骤完成：

(1)、有机聚合物PDMS底膜的制备：将有机聚合物PDMS和固化剂混合均匀后平铺在器皿上，然后置于恒温干燥设备中干燥至有机聚合物PDMS膜为半干状态，得到有机聚合物PDMS底膜；

(2)、将垂直生长的氧化锌纳米管阵列与其生长基底剥离，然后将剥离后的氧化锌纳米管水平排列部分嵌入半干的有机聚合物PDMS底膜中,将有机聚合物PDMS底膜切成备用尺寸；

(3)、将制备好的银纳米线沉积在上述水平排列的氧化锌纳米管表面，然后引出一根铜线，再将有机聚合物PDMS与固化剂的混合物均匀覆盖在银纳米线上得到封装层，最后置于恒温干燥设备中干燥得到第一电极；

(4)、将与有机聚合物PDMS膜相同大小的铝箔作为第二电极，封装得到纳米发电机。

采用上述技术方案，用本身既是半导体又是压电材料的氧化锌纳米管修饰有机聚合物有机聚合物PDMS膜的表面来增大摩擦，同时在有机聚合物PDMS膜和氧化锌纳米管的界面上形成耦合交联，更有益于电子的导出。

其次我们将氧化锌纳米管阵列与其生长基底采用机械剥离的方式剥离，并与柔性有机聚合物PDMS膜相耦合，使其在受压的过程中更容易弯曲产生压电电势。

最后我们从电极材料的角度考虑，金属纳米银线作为一个电极层，具有良好的导电性，并且可以大大提高纳米银线与水平排列的氧化锌纳米管的有效接触面积，从而更多的收集单根氧化锌纳米管的压电电势，同时增大了摩擦。通过以上步骤，单个发电机器件的输出电流和功率得到了极大的提高，为实现纳米发电机在生活中的应用提供了可能。

在上述技术方案中：步骤(3)中，在封装层上面用双面胶粘有相同大小的硬纸片；步骤(4)中，所述铝箔也用双面胶粘贴在相同大小的硬纸片上，然后将铝箔置于有机聚合物PDMS底膜的正下方，封装得到纳米发电机。

在上述技术方案中：步骤(1)中，有机聚合物PDMS和固化剂的质量比为10∶1。

作为优选：步骤(1)中，干燥的温度为50-60℃，干燥时间为1-2h。

作为优选：步骤(3)中，干燥温度为50-60℃，干燥时间为5-8h。

作为优选：所述恒温干燥设备为真空干燥箱。

在上述技术方案中，所述氧化锌纳米管阵列与其生长基底的剥离采用机械剥离法。

有益效果：本发明所采用的原料是容易合成的氧化锌纳米管和银纳米线，将氧化锌纳米管嵌入有机聚合物有机聚合物PDMS膜的表面来增大摩擦，同时在有机聚合物PDMS膜和氧化锌纳米管的界面上形成耦合交联，更有益于电子的导出。从电极材料的角度考虑，金属纳米银线作为一个电极层，具有良好的导电性，并且可以大大提高纳米银线与水平排列的氧化锌纳米管的有效接触面积，从而更多的收集单根纳米管的压电电势，同时增大了摩擦。通过以上步骤，单个纳米发电机的输出电流和功率得到了极大的提高。

附图说明

图1为本发明的纳米发电机的结构示意图；

图2为氧化锌纳米管和银纳米线在有机聚合物PDMS底膜上的分布示意图；

图1和2中：1为有机聚合物PDMS底膜、2为氧化锌纳米管、3为银纳米线、4为铜线、5为封装层、6为硬纸片、7为铝箔；

图3为是本发明所用氧化锌纳米管和银纳米线的XRD图；

图4(a)(b)(c)(d)(e)分别代表本发明所用垂直生长的氧化锌纳米管阵列的SEM图、水平排列在有机聚合物PDMS表面的氧化锌纳米管的SEM图、银纳米线的SEM图、沉积在有机聚合物PDMS表面的银纳米线的SEM图以及沉积在水平排列氧化锌纳米管表面的银纳米线的SEM图；

图5是实施例1-4制备的不同电极的纳米发电机的输出电流图；

图6(a)(b)分别代表本发明实施例5和6制备的不同厚度和不同尺寸的纳米发电机的输出电流；

图7(a)(b)分别代表本发明实施例3制备的同一个器件在不同频率下的输出电流图；

图8(a)(b)分别代表本发明实施例3制备的纳米发电机的最大输出电流，其中(b)为放大图；

图9(a)(b)分别代表本发明实施例3制备的纳米发电机的输出电压/电流与电阻的关系图以及最大功率图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：

(1)、称取有机聚合物PDMS3.3g和固化剂0.33g搅拌均匀，平铺在一次性培养皿上，置于真空干燥箱中干燥1-2h，干燥温度为55℃，得到半干的有机聚合物PDMS底膜，该有机聚合物PDMS底膜的厚度为0.05mm。

(2)、将垂直生长在镀金硅片上的氧化锌纳米管阵列用机械剥离法剥离，然后将氧化锌纳米管部分嵌入上述半干的有机聚合物PDMS底膜的表面，所述氧化锌纳米管水平排列在有机聚合物PDMS底膜上，将有机聚合物PDMS底膜切成2cm×2cm大小，并从水平排列的氧化锌纳米管上用银胶连接引出一根细铜线作为一个电极。

(3)、用另外调配均匀的有机聚合物PDMS与固化剂的混合物均匀覆盖在氧化锌纳米管上，进行封装形成封装层，然后置于真空干燥箱中干燥5-8h，干燥温度为55℃，封装层用双面胶粘贴在2cm×2cm硬纸片上。有机聚合物PDMS与固化剂的混合物的质量比依然为10∶1，封装层的厚度也为0.05mm。

(5)、将尺寸大小为2cm×2cm的铝箔用双面胶粘贴在另一片2cm×2cm硬纸片上，从铝箔上引出另一根细铜线作为另一个电极。

(6)、使有机聚合物PDMS混合层与铝箔电极相对，铝箔位于有机聚合物PDMS底膜的下方，然后用隐形胶带连接两硬纸片的一端，即组合得到纳米发电机。

实施例2：

(1)、称取有机聚合物PDMS3.3g和固化剂0.33g搅拌均匀，平铺在与实施例1相同大小的一次性培养皿上，置于真空干燥箱中干燥1-2h，干燥温度为55℃得到与实施例1厚度相同的半干的有机聚合物PDMS底膜。

(2)、将制备好的银纳米线沉积在上述有机聚合物PDMS底膜上，将有机聚合物PDMS底膜切成2cm×2cm大小，并从银纳米线上用银胶连接引出一根细铜线作为一个电极。

(3)、用另外调配均匀的有机聚合物PDMS与固化剂的混合物均匀覆盖在银纳米线上进行封装得到封装层，置于真空干燥箱中干燥5-8h，干燥温度为55℃，封装层用双面胶粘贴在2cm×2cm硬纸片上，有机聚合物PDMS与固化剂的混合物的质量比依然为10∶1，封装层的厚度也为0.05mm。

(5)、将尺寸大小为2cm×2cm的铝箔用双面胶粘贴在另一片2cm×2cm硬纸片上，从铝箔上引出一根细铜线作为另一个电极。

(6)、使有机聚合物PDMS混合层与铝箔电极相对，铝箔位于有机聚合物PDMS底膜的下方，用隐形胶带连接两硬纸片的一端，即组合得到纳米发电机器件。

实施例3：

如图1和2所示：

(1)、称取有机聚合物PDMS3.3g和固化剂0.33g搅拌均匀，平铺在与实施例1相同大小的一次性培养皿上，置于真空干燥箱中干燥1-2h，干燥温度为55℃得到与实施例1厚度相同的半干的有机聚合物PDMS底膜1。

(2)、将垂直生长在镀金硅片上的氧化锌纳米管阵列用机械剥离法剥离，然后将氧化锌纳米管2水平排列嵌入上述半干有机聚合物PDMS底膜1的表面，氧化锌纳米管2部分嵌入有机聚合物PDMS底膜1中，也就是说，氧化锌纳米管2的上部位于有机聚合物PDMS底膜1上，并将有机聚合物PDMS底膜1切成2cm×2cm大小。

(3)、将制备好的银纳米线3沉积在上述水平排列的氧化锌纳米管2上，并引出一根细铜线4作为一个电极。

(4)、用另外调配均匀的有机聚合物PDMS与固化剂的混合物均匀覆盖在银纳米线上进行封装得到封装层5，然后置于真空干燥箱中干燥5-8h，干燥温度为55℃，用双面胶将封装层5粘贴在2cm×2cm硬纸片6上。有机聚合物PDMS与固化剂的混合物的质量比依然为10∶1，封装层5的厚度也为0.05mm。

(5)、将尺寸大小为2cm×2cm的铝箔7用双面胶粘贴在另一片2cm×2cm硬纸片6上，从铝箔7上引出另一根细铜线4作为另一个电极。

(6)、使有机聚合物PDMS混合层与铝箔电极相对，铝箔7位于有机聚合物PDMS底膜1的下方，用隐形胶带连接两硬纸片6的一端，即组合得到纳米发电机。

实施例4，

(1)、称取有机聚合物PDMS3.3g和固化剂0.33g搅拌均匀，平铺在与实施例1相同大小的一次性培养皿上，置于真空干燥箱中干燥1-2h，干燥温度为55℃得到与实施例1厚度相同的半干的有机聚合物PDMS底膜1。

(2)、在有机聚合物PDMS底膜上连接引出一根细铜线作为一个电极。

(3)、用另外调配均匀的有机聚合物PDMS与固化剂的混合物均匀覆盖在氧化锌纳米管上，进行封装形成封装层，然后置于真空干燥箱中干燥5-8h，干燥温度为55℃，封装层用双面胶粘贴在2cm×2cm硬纸片上。有机聚合物PDMS与固化剂的混合物的质量比依然为10∶1，封装层的厚度也为0.05mm。

(5)、将尺寸大小为2cm×2cm的铝箔用双面胶粘贴在另一片2cm×2cm硬纸片上，从铝箔上引出另一根细铜线作为另一个电极。

(6)、使有机聚合物PDMS混合层与铝箔电极相对，铝箔位于有机聚合物PDMS底膜的下方，然后用隐形胶带连接两硬纸片的一端，即组合得到纳米发电机。

图5是实施例例1-4制备的不同电极的纳米发电机的输出电流图。从图5中我们可以得出，纯有机聚合物PDMS器件的输出电流为2μA左右，有机聚合物PDMS加氧化锌纳米管器件的输出电流为6.5μA左右。有机聚合物PDMS加银纳米线器件的输出电流可以达到15μA左右。有机聚合物PDMS加氧化锌纳米管加银纳米线器件的输出电流则可以达到23μA左右。极大的提高了纳米发电机的输出电流。

实施例5：

(1)、分别称取3.3g的有机聚合物PDMS+0.33g固化剂、3.0g的有机聚合物PDMS+0.3g固化剂、2.7g的有机聚合物PDMS+0.27g固化剂，分别搅拌均匀并分别平铺在三个与实施例1相同的一次性培养皿上，置于真空干燥箱中干燥1-2h，干燥温度为55℃，制得不同厚度的有机聚合物PDMS底膜1。

(2)、将垂直生长在镀金硅片上的氧化锌纳米管阵列用机械剥离法剥离，然后将氧化锌纳米管2水平排列嵌入上述不同厚度的半干有机聚合物PDMS底膜1的表面，氧化锌纳米管2部分嵌入有机聚合物PDMS底膜1中，也就是说，氧化锌纳米管2的上部位于有机聚合物PDMS底膜1上，并将有机聚合物PDMS底膜1切成2cm×2cm大小。

(3)、将制备好的银纳米线3沉积在上述水平排列的氧化锌纳米管2上，并引出一根细铜线4作为一个电极。

(4)、用另外调配均匀的有机聚合物PDMS与固化剂的混合物均匀覆盖在银纳米线上进行封装得到封装层5，然后置于真空干燥箱中干燥5-8h，干燥温度为55℃，用双面胶将封装层5粘贴在2cm×2cm硬纸片6上。有机聚合物PDMS与固化剂的混合物的质量比依然为10∶1，封装层的厚度与各自对应的有机聚合物PDMS底膜1的厚度相同。

(5)、将尺寸大小为2cm×2cm的铝箔7用双面胶粘贴在另一片2cm×2cm硬纸片6上，从铝箔7上引出另一根细铜线4作为另一个电极。

(6)、使有机聚合物PDMS混合层与铝箔电极相对，铝箔7位于有机聚合物PDMS底膜1的下方，用隐形胶带连接两硬纸片6的一端，即组合得到不同厚度的纳米发电机。

图6(a)分别是本发明制备的不同厚度的纳米发电机的输出电流。从图中可以看出，其它条件相同的情况下，厚度越小，纳米发电机的输出电流越大。

实施例6：

(1)、称取2.7g的有机聚合物PDMS和0.27g固化剂搅拌均匀，平铺在实施例5相同大小的一次性培养皿上，置于真空干燥箱中干燥1-2h，干燥温度为55℃，得到半干的有机聚合物PDMS底膜。

(2)、将垂直生长在镀金硅片上的氧化锌纳米管阵列用机械剥离法剥离，使其水平排列部分嵌入上述半干有机聚合物PDMS底膜的表面，并将有机聚合物PDMS底膜切成大小分别为1cm×1cm、1cm×2cm、2cm×2cm的尺寸。

(3)、将制备好的银纳米线沉积在上述水平排列的氧化锌纳米管上，并引出一根细铜线作为电极。

(4)、用另外调配均匀的有机聚合物PDMS与固化剂的混合物均匀覆盖在银纳米线上进行封装得到封装层，置于真空干燥箱中干燥5-8h，干燥温度为55℃，将封装层用双面胶分别对应粘贴在1cm×1cm、1cm×2cm、2cm×2cm硬纸片上。有机聚合物PDMS与固化剂的混合物的质量分别为2.7g的有机聚合物PDMS和0.27g固化剂，封装层的厚度与有机聚合物PDMS底膜的厚度相同。

(5)、将尺寸大小分别为1cm×1cm、1cm×2cm、2cm×2cm的铝箔用双面胶分别粘贴在另外三片对应尺寸的硬纸片上，从铝箔上分别引出一根细铜线作为电极。

(6)、使有机聚合物PDMS混合层与铝箔电极相对，用隐形胶带连接对应两硬纸片的一端，即组合得到三个不同尺寸的纳米发电机器件。

图6(b)是本发明制备的不同尺寸的纳米发电机的输出电流，从图中可以看出，其它条件相同的情况下，尺寸越大，输出电流越大。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种能提高输出电流的纳米发电机的制备方法，其特征在于：按照如下步骤完成：

(1)、有机聚合物PDMS底膜的制备：将有机聚合物PDMS和固化剂混合均匀后平铺在器皿上，然后置于恒温干燥设备中干燥至半干状态，得到有机聚合物PDMS底膜；

(2)、将垂直生长的氧化锌纳米管阵列与其生长基底剥离，然后将剥离后的氧化锌纳米管水平排列部分嵌入半干的有机聚合物PDMS底膜中,将有机聚合物PDMS底膜切成备用尺寸；

(3)、将制备好的银纳米线沉积在上述水平排列的氧化锌纳米管表面，然后引出一根铜线，再将有机聚合物PDMS与固化剂的混合物均匀覆盖在银纳米线上得到封装层，最后置于恒温干燥设备中干燥得到第一电极；

(4)、将与有机聚合物PDMS底膜相同大小的铝箔作为第二电极，封装得到纳米发电机。

2.根据权利要求1所述能提高输出电流的纳米发电机的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，在封装层上面用双面胶粘有相同大小的硬纸片；步骤(4)中，所述铝箔也用双面胶粘贴在相同大小的硬纸片上，然后将铝箔置于有机聚合物PDMS底膜的正下方，封装得到纳米发电机。

3.根据权利要求1或2所述能提高输出电流的纳米发电机的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，干燥的温度为50-60℃，干燥时间为1-2h。

4.根据权利要求1或2所述能提高输出电流的纳米发电机的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，有机聚合物PDMS和固化剂的质量比为10∶1。

5.根据权利要求4所述能提高输出电流的纳米发电机的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，干燥温度为50-60℃，干燥时间为5-8h。

6.根据权利要求4所述能提高输出电流的纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述恒温干燥设备为真空干燥箱。

7.根据权利要求1所述能提高输出电流的纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述氧化锌纳米管阵列与其生长基底的剥离采用机械剥离法。