CN108233761A - 含有电子接收层的摩擦纳米发电机及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及含有电子接收层的摩擦纳米发电机，包括在外力作用下发生接触/分离的正极性摩擦部分和负极性摩擦部分；正极性摩擦部分包括依次设置的第一衬底和第一电极，第一电极同时作为正极性摩擦层；负极性摩擦部分包括依次设置的第二衬底、第二电极、电介质层、电子接收层、负极性摩擦层；第一电极和第二电极之间产生交流电信号。还涉及含有电子接收层的摩擦纳米发电机的制备方法。本发明旨在提升摩擦纳米发电机的电荷捕获能力，属于新能源开发和纳米发电领域。
Description
技术领域
本发明涉及新能源开发和纳米发电领域，具体涉及含有电子接收层的摩擦纳米发电机及其制备方法。
背景技术
能源问题一直是人类社会关注的热点问题之一。随着可用的化石能源不断消耗，开发绿色的新能源也变得越发紧迫。摩擦纳米发电机自2012年被首次报道起，因其转化效率高、制造成本低、结构简单、灵活性高、应用范围广等优点获得快速的发展。利用摩擦起电和电荷感应的耦合作用，摩擦发电机可以将日常生活形如人的行走、振动、旋转、起风、流水等机械能转化成电能。
摩擦纳米发电机的发电过程大体可以分为三个方面，电荷的产生、电荷的存储和电荷的衰减。摩擦层中的电子作为摩擦发电过程中的静电感应源，对摩擦纳米发电机的输出性能产生有很大的影响。然而，一旦产生摩擦电子，一方面由于摩擦电子位于负摩擦材料的表面，易与空气中的正离子或者颗粒发生吸附作用，导致摩擦层表面电子浓度的降低，另一方面摩擦分离后，负摩擦层由于电荷感应作用会产生一个感应电场，感应电场的作用下的漂移运动以及电子浓度梯度下的扩散运动使得电子与电极上感应产生的正电荷复合，导致摩擦层表面的电子浓度降低，从而降低两个电极间的电势差。
作为电荷捕获材料，二维结构的纳米材料因其较大的比表面积受到科学家的广泛关注。层状的二硫化钼具有独特的二维纳米结构，近年来在电子器件领域被科学家广泛探索研究，又因其较大的比表面积、显著的陷进能级，使其成为电荷捕获材料的优选者。然而，单纯层状结构的二硫化钼容易发生团聚现象，难以维持良好的稳定性，使其在电子器件的应用受到限制。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种改善电荷捕获能力的含有电子接收层的摩擦纳米发电机及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
含有电子接收层的摩擦纳米发电机，包括在外力作用下发生接触/分离的正极性摩擦部分和负极性摩擦部分；正极性摩擦部分包括依次设置的第一衬底和第一电极，第一电极同时作为正极性摩擦层；负极性摩擦部分包括依次设置的第二衬底、第二电极、电介质层、电子接收层、负极性摩擦层；第一电极和第二电极之间产生交流电信号。
作为一种优选，电子接收层采用高电荷捕获能力的二维纳米材料。
作为一种优选，电子接收层的材料为二硫化钼/石墨烯复合材料。
作为一种优选，电子接收层的材料为层状结构的二硫化钼/石墨烯复合材料。
作为一种优选，负极性摩擦层为高分子聚合物；第一电极和第二电极均为金属电极；电介质层的材料为高分子聚合物。
作为一种优选，负极性摩擦层为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚酰亚胺PI(Kapton)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)；第一电极和第二电极均为铝电极；电介质层为聚酰亚胺膜；第一衬底为玻璃或塑料衬底；第二衬底为玻璃或塑料衬底。
作为一种优选，第一电极的厚度为1微米，第二电极的厚度为1微米，电子接收层的厚度为5-10微米，负极性摩擦层的厚度为2-5微米。
含有电子接收层的摩擦纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：(1)在第一衬底和第二衬底上用沉积铝膜的方法制作第一电极和第二电极；(2)采用超声辅助液相剥离技术制备二硫化钼/石墨烯复合材料的分散液；(3)将电介质层的背面与第二电极粘附在一起；(4)将步骤(2)制得的分散液旋涂在电介质层上，形成电子接收层；(5)制备负极性摩擦层的高分子聚合物溶液；(6)将步骤(5)制得的溶液旋涂在电子接收层上，形成负极性摩擦层；(7)分别从第一电极、第二电极上引出铜质导线，连接外部电路。
总的说来，本发明具有如下优点：
(1)在负极性摩擦层和第二电极间增设改善提升电荷捕获能力的电子接收层，利用高性能电荷捕获材料里的陷阱能级，有效捕获摩擦后在负极性摩擦层产生的电子，减少存储在负极性摩擦层表面的电子浓度，从而有效减弱负极性摩擦层中电子与空气中正离子或颗粒的吸附作用。同时电子接收层的存在能够避免负极性摩擦层和第二电极之间的直接接触，减弱因感应电场产生的电子的漂移运动以及因电子浓度梯度产生的电子的扩散运动，最终减弱负极性摩擦层电子和第二电极上感应正电荷的复合作用。电子接收层的存在从以上两个方面都提高了摩擦纳米发电机的输出性能。
(2)电子接收层优选采用层状结构二硫化钼/石墨烯(MoS2/Graphene)复合材料，一方面避免单纯层状结构MoS2比较容易发生团聚现象，从而提高器件结构的稳定性；另一方面石墨烯作为复合材料的骨架，有效增加材料的比表面积，大大提升电子接收层的电荷捕获能力，从而提升摩擦纳米发电机的输出性能。
附图说明
图1是含有电子接收层的摩擦纳米发电机的立体图。
图2-图6对应含有电子接收层的摩擦纳米发电机的制备方法。
图2是第一电极制作完成示意图。
图3是第二电极制作完成示意图。
图4是电介质层制作完成示意图。
图5是电子接收层制作完成示意图。
图6是负极性摩擦层制作完成示意图。
其中，1是第一衬底，2是第一电极，3是负极性摩擦层，4是电子接收层，5是电介质层，6是第二电极，7是第二衬底。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
含有电子接收层的摩擦纳米发电机，包括在外力作用下发生接触/分离的正极性摩擦部分和负极性摩擦部分，由此产生交流电信号。正极性摩擦部分包括依次设置的第一衬底和第一电极，第一电极同时作为正极性摩擦层；负极性摩擦部分包括依次设置的第二衬底、第二电极、电介质层、电子接收层、负极性摩擦层；第一电极和第二电极之间产生交流电信号。
电子接收层的材料为层状结构的二硫化钼/石墨烯复合材料。负极性摩擦层为聚偏氟乙烯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷；第一电极和第二电极均为铝电极；电介质层为聚酰亚胺膜；第一衬底为玻璃或塑料衬底；第二衬底为玻璃或塑料衬底。电子接收层的材料还可以是二硫化钼、二硫化钨等。
层状结构二硫化钼/石墨烯复合材料采用超声辅助的液相剥离方法，具体的制备方法如下：
(1)MoS2分散体的制备：将MoS2粉末加入N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，并在水浴超声波仪中进行超声处理。超声处理后，将分散体进行离心处理，然后加入新的NMP溶剂，重复离心。得到的悬浮液在室温环境下静置。将收集到的上清液再次离心，以确保MoS2完全剥离。
(2)石墨烯分散体的制备：将石墨烯粉末加入NMP溶剂中，超声处理得到均匀的悬浮液。然后将该悬浮液离心处理，再将悬浮液静置，取其上清液再次离心。
(3)将上述所得的上清液混合并在异丙醇(IPA)中稀释，之后超声处理得到均匀分布分混合液。将混合液再次离心，静置，取其上清液。
含有电子接收层的摩擦纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：
(1)在第一衬底和第二衬底上用沉积铝膜的方法制作第一电极和第二电极，具体为：在清洗干燥过的第一玻璃衬底上用热蒸发的方法沉积一层Al膜，膜厚约为1微米；在清洗干燥过的第二玻璃衬底上用热蒸发的方法沉积一层Al膜。
(2)采用超声辅助液相剥离技术制备二硫化钼/石墨烯复合材料的分散液。
(3)将电介质层的背面与第二电极粘附在一起：具体为：将PI(Kapton)膜和Al膜粘附在一起。
(4)将步骤(2)制得的分散液旋涂在电介质层上，形成电子接收层：具体为：用旋涂法将上述制备好的分散液旋涂在电极PI(Kapton)膜表面并在烘箱中烘烤一段时间以蒸发溶剂，制得电子接收层。
(5)制备负极性摩擦层的高分子聚合物溶液，具体为：PDMS前聚体的制备，将PDMS弹性体和固化剂按一定质量比混合，充分搅拌直至均匀混合，然后真空脱气一段时间制得PDMS前聚体。
(6)将步骤(5)制得的溶液旋涂在电子接收层上，形成负极性摩擦层，具体为：将制备好的PDMS前聚体旋涂在电子接收层表面，之后经过真空脱气和烘烤固化处理，制得负极性摩擦层。
(7)分别从第一电极、第二电极上引出铜质导线，连接外部电路。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.含有电子接收层的摩擦纳米发电机，包括在外力作用下发生接触/分离的正极性摩擦部分和负极性摩擦部分，其特征在于：正极性摩擦部分包括依次设置的第一衬底和第一电极，第一电极同时作为正极性摩擦层；负极性摩擦部分包括依次设置的第二衬底、第二电极、电介质层、电子接收层、负极性摩擦层；第一电极和第二电极之间产生交流电信号。
2.按照权利要求1所述的含有电子接收层的摩擦纳米发电机，其特征在于：电子接收层采用高电荷捕获能力的二维纳米材料。
3.按照权利要求2所述的含有电子接收层的摩擦纳米发电机，其特征在于：电子接收层的材料为二硫化钼/石墨烯复合材料。
4.按照权利要求3所述的含有电子接收层的摩擦纳米发电机，其特征在于：电子接收层的材料为层状结构的二硫化钼/石墨烯复合材料。
5.按照权利要求1所述的含有电子接收层的摩擦纳米发电机，其特征在于：负极性摩擦层为高分子聚合物；第一电极和第二电极均为金属电极；电介质层的材料为高分子聚合物。
6.按照权利要求5所述的含有电子接收层的摩擦纳米发电机，其特征在于：负极性摩擦层为聚偏氟乙烯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷；第一电极和第二电极均为铝电极；电介质层为聚酰亚胺膜；第一衬底为玻璃或塑料衬底；第二衬底为玻璃或塑料衬底。
7.按照权利要求1所述的含有电子接收层的摩擦纳米发电机，其特征在于：第一电极的厚度为1微米，第二电极的厚度为1微米，电子接收层的厚度为5-10微米，负极性摩擦层的厚度为2-5微米。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的含有电子接收层的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在第一衬底和第二衬底上用沉积铝膜的方法制作第一电极和第二电极；
(2)采用超声辅助液相剥离技术制备二硫化钼/石墨烯复合材料的分散液；
(3)将电介质层的背面与第二电极粘附在一起；
(4)将步骤(2)制得的分散液旋涂在电介质层上，形成电子接收层；
(5)制备负极性摩擦层的高分子聚合物溶液；
(6)将步骤(5)制得的溶液旋涂在电子接收层上，形成负极性摩擦层；
(7)分别从第一电极、第二电极上引出铜质导线，连接外部电路。
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