CN108847779A - 一种光驱动柔性摩擦纳米发电机及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种光驱动柔性摩擦纳米发电机及其制备方法，涉及柔性驱动发电技术领域。其上层光驱动柔性复合薄膜以导电的柔性石墨烯薄膜作为电极，并在石墨烯薄膜一侧上设有绝缘聚合物薄膜A；其下层摩擦复合薄膜以导电金属作为电极，并在金属电极一侧设有绝缘聚合物薄膜B；绝缘聚合物薄膜A和B类型不同，且两者的摩擦电序列性能相差较大；上层光驱动柔性复合薄膜在光照下发生机械变形，与下层摩擦复合薄膜产生接触摩擦，导致发电机的上、下两层带有极性相反的摩擦电荷，从而产生电压。本发明的光驱动柔性摩擦纳米发电机的结构简单，制作容易，能够实现大量生产。可以将光能转换为电能，其柔性结构能够适应复杂的曲面环境，应用范围广。

Description

一种光驱动柔性摩擦纳米发电机及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性驱动发电技术领域，具体是涉及一种光驱动柔性摩擦纳米发电机及其制备方法。
背景技术
物体之间相互摩擦起电，是生活中广泛存在的能量产生方式。摩擦纳米发电机具有垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极式和独立层模式，利用摩擦效应和静电效应，能够收集不同形式的机械能，包括人体运动、振动、机械触发、轮胎转动、风能、水能等，将环境中各种机械能转换为电能输出。摩擦纳米发电机结构简单，并且摩擦起电的材料种类选择非常广泛，具有广阔的应用范围的价值。
太阳能自由分布广泛且不会枯竭，是一种理想的绿色能源。从光能到电能的转化一般采用基于光伏效应的器件，占地面积大，制作成本较高，缺少制备简单、低成本的收集光能的能源器件。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种光驱动柔性摩擦纳米发电机及其制备方法，作为一种新型的能够收集光能的能源器件，在光照下，上层发生机械变形与下层发生摩擦起电，从而将光能转换为电能。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种光驱动柔性摩擦纳米发电机，由上层光驱动柔性复合薄膜和下层摩擦复合薄膜组成，上层光驱动柔性复合薄膜以导电的柔性石墨烯薄膜作为电极，并在石墨烯薄膜一侧上设有绝缘聚合物薄膜A；下层摩擦复合薄膜以导电金属作为电极，并在金属电极一侧设有绝缘聚合物薄膜B；绝缘聚合物薄膜A和B相对布置，两者的类型不同，且两者的摩擦电序列性能相差较大；上层光驱动柔性复合薄膜在光照下发生机械变形，与下层摩擦复合薄膜产生接触摩擦，导致发电机的上、下两层带有极性相反的摩擦电荷，从而产生电压。
作为本发明的光驱动柔性摩擦纳米发电机的优选技术方案，所述石墨烯薄膜为还原的氧化石墨烯薄膜或是掺杂碳纳米管的石墨烯薄膜。所述绝缘聚合物薄膜A选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯或聚苯乙烯。所述绝缘聚合物薄膜B选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚异丁烯、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯。所述金属导电电极选自铝电极、铜电极、锌电极或镁电极。
一种光驱动柔性摩擦纳米发电机的制备方法，包括石墨烯导电电极的制备、上层光驱动柔性复合薄膜的制备、下层摩擦复合薄膜的制备及摩擦纳米发电机的制备；具体步骤如下：
(1)石墨烯导电电极的制备：吸取一定量的氧化石墨烯分散液均匀滴覆在玻璃基片上，在一定温度下干燥后形成氧化石墨烯纸，将所得的氧化石墨烯纸浸入氢碘酸(HI)溶液中避光还原，制成还原的氧化石墨烯纸，反复放置在去离子水和乙醇溶液中清洗，放置在加热平台上烘干，在还原的氧化石墨烯薄膜一端用导电银胶连接电极线引出；
(2)上层光驱动柔性复合薄膜的制备：在步骤(1)中得到的石墨烯导电电极上，粘贴一层单面带黏性的绝缘聚合物薄膜A，得到上层光驱动柔性复合薄膜；
(3)下层摩擦复合薄膜的制备：在导电金属电极一端连接导线引出，将单面带黏性的绝缘聚合物薄膜B粘贴在金属电极上；
(4)摩擦纳米发电机的制备：将下层摩擦复合薄膜形成弧形并固定于基板上，然后将上层光驱动柔性复合薄膜置于下层摩擦复合薄膜上方，使上层光驱动柔性复合薄膜中的绝缘聚合物薄膜A堆叠在下层摩擦复合薄膜中的绝缘聚合物薄膜B之上，在中间位置形成空隙，制得发电机。
作为本发明光驱动柔性摩擦纳米发电机制备方法的优选技术方案，步骤(1)中使用的石墨烯分散液浓度为0.5～5mg/ml，石墨烯分散液滴覆在玻璃基片上后的干燥温度为40～70℃，还原的氧化石墨烯清洗后的烘干温度为30～80℃。绝缘聚合物薄膜A与石墨烯导电电极之间、绝缘聚合物薄膜B与导电金属电极之间的粘接无气泡及不平整褶皱。
本发明的光驱动柔性摩擦纳米发电机，当施加光照后，作为光照驱动层的上层光驱动柔性复合薄膜发生形状弯曲，与下层摩擦复合薄膜之间的间隙越来越小，直至完成接触；当撤去光照后，上层光驱动柔性复合薄膜形状逐渐恢复，与下层摩擦复合薄膜之间分离并且间隙越来越大直至恢复到初始状态；随着上层光驱动柔性复合薄膜和下层摩擦复合薄膜产生接触摩擦，导致发电机上、下两层带有极性相反的摩擦电荷，从而产生电压。与现有技术相比，本发明的有益效果还表现在：
光驱动柔性摩擦纳米发电机的结构简单，制作容易，能够实现大量生产。可以将光能转换为电能，其柔性结构能够适应复杂的曲面环境，应用范围广。
附图说明
以下结合实施例和附图对本发明的光驱动柔性摩擦纳米发电机作进一步的详述。
图1是本发明的光驱动柔性摩擦纳米发电机的原理图。
具体实施方式
请参阅图1所示，一种光驱动柔性摩擦纳米发电机，由上层光驱动柔性复合薄膜和下层摩擦复合薄膜组成，上层光驱动柔性复合薄膜以导电的柔性石墨烯薄膜1作为电极，并在石墨烯薄膜一侧上设有绝缘聚合物薄膜A2；下层摩擦复合薄膜以导电金属4作为电极，并在金属电极一侧设有绝缘聚合物薄膜B3；绝缘聚合物薄膜A2和B3相对布置，两者的类型不同，且两者的摩擦电序列性能相差较大；上层光驱动柔性复合薄膜在光照下发生机械变形，与下层摩擦复合薄膜产生接触摩擦，导致发电机的上、下两层带有极性相反的摩擦电荷，从而产生电压。
下面给出光驱动柔性摩擦纳米发电机制备方法的实施例。
实施例1
一种光驱动柔性摩擦纳米发电机的制备方法，步骤如下：
(1)石墨烯导电电极的制备：
从南京XFNANO材料技术有限公司购买氧化石墨烯分散液，吸取10ml氧化石墨烯分散液(2mg/ml)均匀滴覆在玻璃基片上，在60℃干燥后形成氧化石墨烯纸，将所得的氧化石墨烯纸浸入氢碘酸(HI)溶液中避光还原1小时，制成还原的氧化石墨烯纸，从玻璃基片上揭下，反复放置在去离子水和乙醇溶液中清洗掉残留的氢碘酸，40℃干燥，在还原的氧化石墨烯薄膜一端用导电银胶连接电极线引出，形成石墨烯导电电极。
(2)上层光驱动柔性复合薄膜的制备：
购买单面带黏性的柔性聚酰亚胺商业胶带，厚度为60μm，将柔性聚酰亚胺薄膜带有黏性表面与还原的氧化石墨烯薄膜一表面黏合，形成一双层薄膜结构，得到上层光驱动柔性复合薄膜。
(3)下层摩擦复合薄膜的制备：
在铜电极一端连接电极线引出，将一层聚对苯二甲酸乙二醇酯绝缘聚合物薄膜粘贴在铜电极上；此时，发电机的上、下两层制备完成。
(4)摩擦纳米发电机的制备：
将下层摩擦复合薄膜形成弧形并固定于基板上，然后将上层光驱动柔性复合薄膜置于下层摩擦复合薄膜上方，使上层光驱动柔性复合薄膜中的聚酰亚胺薄膜堆叠在下层摩擦复合薄膜中的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜之上，在中间位置形成空隙，制得发电机。
请参阅图1所示，当施加光照后，作为光照驱动层的上层光驱动柔性复合薄膜发生形状弯曲，与下层摩擦复合薄膜之间的间隙越来越小，直至完成接触；当撤去光照后，上层光驱动柔性复合薄膜形状逐渐恢复，与下层摩擦复合薄膜之间分离并且间隙越来越大直至恢复到初始状态；随着上层光驱动柔性复合薄膜和下层摩擦复合薄膜产生接触摩擦，导致发电机上、下两层带有极性相反的摩擦电荷，从而产生电压。
实施例2
一种光驱动柔性摩擦纳米发电机的制备方法，步骤如下：
(1)石墨烯导电电极的制备：
从南京XFNANO材料技术有限公司购买氧化石墨烯分散液，吸取20ml氧化石墨烯分散液(1mg/ml)均匀滴覆在玻璃基片上，在50℃干燥后形成氧化石墨烯纸，将所得的氧化石墨烯纸浸入氢碘酸(HI)溶液中避光还原1小时，制成还原的氧化石墨烯纸，从玻璃基片上揭下，反复放置在去离子水和乙醇溶液中清洗掉残留的氢碘酸，50℃干燥，在还原的氧化石墨烯薄膜一端用导电银胶连接电极线引出，形成石墨烯导电电极。
(2)上层光驱动柔性复合薄膜的制备：
购买单面带黏性的柔性聚丙烯商业胶带，厚度为50μm，将柔性聚丙烯薄膜带有黏性表面与还原的氧化石墨烯薄膜一表面黏合，形成一双层薄膜结构，得到上层光驱动柔性复合薄膜。
(3)下层摩擦复合薄膜的制备：
在锌电极一端连接电极线引出，将一层聚乙烯醇绝缘聚合物薄膜粘贴在锌电极上；此时，发电机的上、下两层制备完成。
(4)摩擦纳米发电机的制备：
将下层摩擦复合薄膜形成弧形并固定于基板上，然后将上层光驱动柔性复合薄膜置于下层摩擦复合薄膜上方，使上层光驱动柔性复合薄膜中的聚丙烯薄膜堆叠在下层摩擦复合薄膜中的聚乙烯醇薄膜之上，在中间位置形成空隙，制得发电机。
请参阅图1所示，当施加光照后，作为光照驱动层的上层光驱动柔性复合薄膜发生形状弯曲，与下层摩擦复合薄膜之间的间隙越来越小，直至完成接触；当撤去光照后，上层光驱动柔性复合薄膜形状逐渐恢复，与下层摩擦复合薄膜之间分离并且间隙越来越大直至恢复到初始状态；随着上层光驱动柔性复合薄膜和下层摩擦复合薄膜产生接触摩擦，导致发电机上、下两层带有极性相反的摩擦电荷，从而产生电压。
实施例3
一种光驱动柔性摩擦纳米发电机的制备方法，步骤如下：
(1)石墨烯导电电极的制备：
从南京XFNANO材料技术有限公司购买氧化石墨烯分散液，吸取30ml氧化石墨烯分散液(0.5mg/ml)均匀滴覆在玻璃基片上，在40℃干燥后形成氧化石墨烯纸，将所得的氧化石墨烯纸浸入氢碘酸(HI)溶液中避光还原1小时，制成还原的氧化石墨烯纸，从玻璃基片上揭下，反复放置在去离子水和乙醇溶液中清洗掉残留的氢碘酸，60℃干燥，在还原的氧化石墨烯薄膜一端用导电银胶连接电极线引出，形成石墨烯导电电极。
(2)上层光驱动柔性复合薄膜的制备：
购买单面带黏性的柔性聚苯乙烯商业胶带，厚度为40μm，将柔性聚苯乙烯薄膜带有黏性表面与还原的氧化石墨烯薄膜一表面黏合，形成一双层薄膜结构，得到上层光驱动柔性复合薄膜。
(3)下层摩擦复合薄膜的制备：
在镁电极一端连接电极线引出，将一层聚氨酯绝缘聚合物薄膜粘贴在镁电极上；此时，发电机的上、下两层制备完成。
(4)摩擦纳米发电机的制备：
将下层摩擦复合薄膜形成弧形并固定于基板上，然后将上层光驱动柔性复合薄膜置于下层摩擦复合薄膜上方，使上层光驱动柔性复合薄膜中的聚苯乙烯薄膜堆叠在下层摩擦复合薄膜中的聚氨酯薄膜之上，在中间位置形成空隙，制得发电机。
请参阅图1所示，当施加光照后，作为光照驱动层的上层光驱动柔性复合薄膜发生形状弯曲，与下层摩擦复合薄膜之间的间隙越来越小，直至完成接触；当撤去光照后，上层光驱动柔性复合薄膜形状逐渐恢复，与下层摩擦复合薄膜之间分离并且间隙越来越大直至恢复到初始状态；随着上层光驱动柔性复合薄膜和下层摩擦复合薄膜产生接触摩擦，导致发电机上、下两层带有极性相反的摩擦电荷，从而产生电压。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光驱动柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：由上层光驱动柔性复合薄膜和下层摩擦复合薄膜组成，上层光驱动柔性复合薄膜以导电的柔性石墨烯薄膜作为电极，并在石墨烯薄膜一侧上设有绝缘聚合物薄膜A；下层摩擦复合薄膜以导电金属作为电极，并在金属电极一侧设有绝缘聚合物薄膜B；绝缘聚合物薄膜A和B相对布置，两者的类型不同，且两者的摩擦电序列性能相差较大；上层光驱动柔性复合薄膜在光照下发生机械变形，与下层摩擦复合薄膜产生接触摩擦，导致发电机的上、下两层带有极性相反的摩擦电荷，从而产生电压。
2.如权利要求1所述的光驱动柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述石墨烯薄膜为还原的氧化石墨烯薄膜或是掺杂碳纳米管的石墨烯薄膜。
3.如权利要求1所述的光驱动柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述绝缘聚合物薄膜A选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯或聚苯乙烯。
4.如权利要求1所述的光驱动柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述绝缘聚合物薄膜B选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚异丁烯、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯。
5.如权利要求1所述的光驱动柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述金属导电电极选自铝电极、铜电极、锌电极或镁电极。
6.一种制备如权利要求1所述光驱动柔性摩擦纳米发电机的方法，其特征在于：包括石墨烯导电电极的制备、上层光驱动柔性复合薄膜的制备、下层摩擦复合薄膜的制备及摩擦纳米发电机的制备；具体步骤如下：
(1)石墨烯导电电极的制备：吸取一定量的氧化石墨烯分散液均匀滴覆在玻璃基片上，在一定温度下干燥后形成氧化石墨烯纸，将所得的氧化石墨烯纸浸入氢碘酸(HI)溶液中避光还原，制成还原的氧化石墨烯纸，反复放置在去离子水和乙醇溶液中清洗，放置在加热平台上烘干，在还原的氧化石墨烯薄膜一端用导电银胶连接电极线引出；
(2)上层光驱动柔性复合薄膜的制备：在步骤(1)中得到的石墨烯导电电极上，粘贴一层单面带黏性的绝缘聚合物薄膜A，得到上层光驱动柔性复合薄膜；
(3)下层摩擦复合薄膜的制备：在导电金属电极一端连接导线引出，将单面带黏性的绝缘聚合物薄膜B粘贴在金属电极上；
(4)摩擦纳米发电机的制备：将下层摩擦复合薄膜形成弧形并固定于基板上，然后将上层光驱动柔性复合薄膜置于下层摩擦复合薄膜上方，使上层光驱动柔性复合薄膜中的绝缘聚合物薄膜A堆叠在下层摩擦复合薄膜中的绝缘聚合物薄膜B之上，在中间位置形成空隙，制得发电机。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中使用的石墨烯分散液浓度为0.5～5mg/ml，石墨烯分散液滴覆在玻璃基片上后的干燥温度为40～70℃，还原的氧化石墨烯清洗后的烘干温度为30～80℃。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：绝缘聚合物薄膜A与石墨烯导电电极之间、绝缘聚合物薄膜B与导电金属电极之间的粘接无气泡及不平整褶皱。
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