CN116657282A - 一种葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法，包括：配置葡萄糖氧化酶水溶液和漆酶水溶液；拉制碳纳米管薄膜，并滴加葡萄糖氧化酶水溶液，制作CNT@GOx纱线作为燃料电池阳极；再次拉制碳纳米管薄膜，并滴加漆酶水溶液，制作CNT@Lac纱线作为燃料电池阴极；配制燃料电解液；使用两根铂丝分别连接阴阳极的一端，铂丝的另一端连接开关,然后将阴阳极浸入燃料电解液中，并通入氧气，通过开关的控制,实现阴极纱线的收缩与复原。本申请解决了传统电化学驱动人工肌肉装置复杂繁琐的不足，实现了驱动电源与人工肌肉一体化。根据燃料电池充电/放电过程中，不同的电子转移，实现了对驱动过程的控制。
Description
技术领域
本发明涉及软体驱动器制备技术领域，具体涉及一种葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法。
背景技术
传统刚性驱动器具有可替代人工、可控性强、能量转换效率高等优点，在机械传动、工业控制等领域中广泛使用。然而，刚性驱动器由于缺乏灵活性，难以在复杂的地形条件下工作。随着前沿人工智能技术的发展以及军事科技、医疗康复、科学探测、灾难救援、疾病防控等领域对柔性机械需求的增加，研究人员迫切需要开发出新型柔性驱动器。仿照动物骨骼肌，人们尝试设计具有高输出应变、高输出能量、高输出功率、大负载能力的柔性驱动器，并称之为人工肌肉。人工肌肉体积小、运动自由度高、可以适应受限的工作环境，在柔性骨骼、假肢、柔性飞行器、生物医疗、精准微创手术等领域具有广阔的应用前景。在诸多用于制作人工肌肉的柔性材料中，碳纳米管纤维具有最接近于骨骼肌多层级纳米纤维束结构，并且可实现媲美甚至超越骨骼肌的力学性能，是制备人工肌肉的理想材料之一。碳纳米管纤维肌肉可以通过电化学、温度、湿度以及溶剂吸收等方式进行驱动。由于温度、电热驱动方法的碳纳米管人工肌肉具有较强的热效应，在使用过程中会释放出大量的热，并且使用温区范围大，效率低，难以在实际工业中应用。电化学驱动碳纳米管纤维肌肉具有比其他驱动形式操作电压低、易控制和没有热效应等优势，受到人们的广泛关注。其工作原理在于分布在碳纳米管防线内部的电化学双电层吸附溶剂化离子，引起碳纳米管纺线的体积增大，从而产生长度方向的收缩效应。
传统的碳纳米管人工肌肉电化学驱动方式是通过将碳纳米管肌肉浸入离子电解液中，接入三电极系统，由电化学工作站输出电压信号进行驱动。因此，整个驱动装置操作复杂，极其不便利。
发明内容
本申请提出了一种葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法，将整个电化学驱动体系集成在一起，制作出一套便捷方便的自供电电化学驱动装置。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法，包括如下步骤：
S1.配置葡萄糖氧化酶水溶液和漆酶水溶液；
S2.拉制碳纳米管薄膜，并滴加所述葡萄糖氧化酶水溶液，制作CNT@GOx纱线，所述CNT@GOx纱线作为燃料电池阳极；
S3.再次拉制碳纳米管薄膜，并滴加所述漆酶水溶液，制作CNT@Lac纱线，所述CNT@Lac纱线作为燃料电池阴极；
S4.使用硝酸溶液、葡萄糖溶液和氯化钠盐，配制成燃料电解液；
S5.使用两根铂丝分别连接所述CNT@GOx纱线和所述CNT@Lac纱线的一端，两根所述铂丝的另一端连接开关,然后将所述CNT@GOx纱线和所述CNT@Lac纱线浸入所述燃料电解液中，并在所述燃料电解液中通入氧气，通过所述开关的控制,实现所述CNT@Lac纱线的收缩与复原。
优选的,所述S1中，所述葡萄糖氧化酶水溶液和所述漆酶水溶液的浓度均为5mg/ml。
优选的,所述S2和所述S3中，使用碳纳米管垂直阵列拉制所述CNT@GOx纱线和所述CNT@Lac纱线。
优选的,所述碳纳米管垂直阵列通过化学气相沉积方法制备，包括：
由甲烷作为碳源，二茂铁和噻吩蒸汽分别用作催化剂和生长促进剂，以氦气作为载气将以上气态原料通入反应器中，反应温度≥700℃，制得所述碳纳米管垂直阵列。
优选的,所述S3中，拉制所述碳纳米管薄膜并卷成圆筒状，然后滴加所述漆酶水溶液，待所述碳纳米管薄膜干燥后，将圆筒状的所述碳纳米管薄膜一端连接电机，另一端施加预设重力并固定，通过电机转动使所述碳纳米管薄膜形成螺旋卷绕结构，制成所述CNT@Lac纱线。
优选的,所述硝酸溶液浓度为0.1mol/L，所述葡萄糖溶液浓度为0.2mol/L，所述氯化钠盐浓度为0.15mol/L；
所述硝酸溶液、所述葡萄糖溶液和所述氯化钠盐的体积比为1:1:1。
本申请的有益效果为：
本申请公开了一种葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法，解决了传统电化学驱动人工肌肉装置复杂繁琐的不足，实现了驱动电源与人工肌肉一体化。能够使用廉价的葡萄糖作为燃料，反应的产物主要为水等，清洁环保。根据燃料电池充电/放电过程中，不同的电子转移，实现了对驱动过程的控制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的自供电碳纳米管纤维的制作方法流程示意图；
图2为本申请实施例中CNT@Lac纱线制作过程示意图；
图3为本申请实施例中体现CNT@Lac纱线的收缩与复原现象的装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
燃料电池是一类转换效率高、能量高的动力装置，它通过阴极和阳极表面的还原和氧化反应将化学能转化为电能。基于酶的生物燃料电池(eBFC)是一种众所周知的生物电子设备范例，它利用酶进行燃料氧化和氧化剂还原，用于发电,用葡萄糖作为燃料，环保且廉价。由此，利用生物燃料电池充电/放电过程中的电子转移，以用催化酶修饰过的碳纳米管人工肌肉为电极，制作出一种葡萄糖燃料电池驱动的自供电碳纳米管人工肌肉。
针对现有电化学驱动碳纳米管人工肌肉驱动方式需要复杂装置的不足，本申请为了实现驱动信号与人工肌肉一体化，提出了一种由以葡萄糖为燃料的生物燃料电池驱动的自供电碳纳米管人工肌肉制作方法。本申请包括以下内容与原理：
一、本申请的技术方案是将催化剂负载在碳纳米管纱线上，利用葡萄糖生物燃料电池充电/放电过程中的离子转移，实现对碳纳米管肌肉的驱动。具体为，充电过程中，阴极发生还原反应，从碳纳米管肌肉中夺取电子，使碳纳米管肌肉显正电，于是碳纳米管肌肉从电解液中吸取负离子发生膨胀并产生收缩。
二、所述的可纺丝的碳纳米管阵列可通过现有的化学气相沉积方法(CVD)来制备。首先，由甲烷作为碳源，二茂铁、噻吩蒸汽分别用作催化剂和生长促进剂。以氦气作为载气将以上气态原料通入反应器中。碳纳米管的合成过程在高温下(700℃以上)进行。而且反应在氢气氦气中进行。由此可制得多壁碳纳米管阵列。
三、所述的碳纳米管薄膜可使用打印的专属模具从碳纳米管垂直阵列中连续抽出，用双面胶两端固定，可随意控制专属模具的长度。所制备出的碳纳米管薄膜宽度大约为5cm，制备层数为10层。然后将其卷成圆柱状。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。如图1所示：
步骤一：称取葡萄糖氧化酶和漆酶试剂分别配置成5mg/ml的水溶液。
步骤二：使用特制模具从碳纳米管垂直阵列上拉出10层长20cm、宽5cm的碳纳米管薄膜到模具上，将该薄膜卷成圆筒状，用移液枪滴加200微升葡萄糖氧化酶水溶液，等待其干燥，制成CNT@GOx纱线，作为燃料电池阳极。
步骤三：使用特制模具从碳纳米管垂直阵列上拉出10层长20cm、宽5cm碳纳米管薄膜到模具上，将该薄膜卷成圆筒状，用移液枪滴加200微升滴加漆酶水溶液，等待其干燥。然后将其一端连接电机，一端施加10g重物，用一个长条状物体连接重物端，用物体将长条物体卡住，以保证下端不会随着电机转动而转动，使用开发板控制电机以150rad/s的转速将其加捻成恰好形成螺旋卷绕结构，制成CNT@Lac纱线，作为燃料电池阴极。如图2所示。
步骤四：称取制备0.1mol/L硝酸溶液，0.2mol/L葡萄糖溶液，0.15mol/L氯化钠盐，三种溶液体积比为1:1:1，配制成燃料电解液。
步骤五：用两根铂丝分别连接CNT@GOx纱线和CNT@Lac纱线的一端，两根铂丝的另一端连接在开关的两端。然后将CNT@GOx纱线阳极和CNT@Lac纱线阴极浸入燃料电解液中，并在燃料电解液中通入氧气，通过开关的控制，实现CNT@Lac纱线的收缩与复原，该收缩与复原过程，即CNT@Lac纱线作为人工肌肉的伸缩功能。
为了体现CNT@Lac纱线的收缩和复原现象，即CNT@Lac纱线作为人工肌肉的伸缩功能，在本实施例中，将CNT@GOx纱线和CNT@Lac纱线放入烧杯中，断开开关，倒入燃料电解液并通入氧气，如图3所示。当断开开关时，CNT@Lac纱线阴极会释放电子，产生收缩现象，当开关连通后，会有电子从CNT@GOx纱线阳极流向螺旋状的CNT@Lac纱线阴极，此时CNT@Lac纱线阴极开始恢复原长。
本申请旨在提供一种装置简单、电源与驱动器一体化的人工肌肉纤维。相较于过去的气动、磁热、电化学等驱动方式，本申请的驱动方式具有装置简单、经济环保、能源获取简单等固有优势。因为它的驱动方式在日常生活中应用非常广泛，获取能量来源简单，不需要额外的设备。对于应用在仿生机器人、可穿戴设备等具有广阔的应用前景。
Claims (6)
1.一种葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.配置葡萄糖氧化酶水溶液和漆酶水溶液；
S2.拉制碳纳米管薄膜，并滴加所述葡萄糖氧化酶水溶液，制作CNT@GOx纱线，所述CNT@GOx纱线作为燃料电池阳极；
S3.再次拉制碳纳米管薄膜，并滴加所述漆酶水溶液，制作CNT@Lac纱线，所述CNT@Lac纱线作为燃料电池阴极；
S4.使用硝酸溶液、葡萄糖溶液和氯化钠盐，配制成燃料电解液；
S5.使用两根铂丝分别连接所述CNT@GOx纱线和所述CNT@Lac纱线的一端，两根所述铂丝的另一端连接开关,然后将所述CNT@GOx纱线和所述CNT@Lac纱线浸入所述燃料电解液中，并在所述燃料电解液中通入氧气，通过所述开关的控制,实现所述CNT@Lac纱线的收缩与复原。
2.根据权利要求1所述的葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法，其特征在于，
所述S1中，所述葡萄糖氧化酶水溶液和所述漆酶水溶液的浓度均为5mg/ml。
3.根据权利要求1所述的葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法，其特征在于，
所述S2和所述S3中，使用碳纳米管垂直阵列拉制所述CNT@GOx纱线和所述CNT@Lac纱线。
4.根据权利要求3所述的葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法，其特征在于，
所述碳纳米管垂直阵列通过化学气相沉积方法制备，包括：
由甲烷作为碳源，二茂铁和噻吩蒸汽分别用作催化剂和生长促进剂，以氦气作为载气将以上气态原料通入反应器中，反应温度≥700℃，制得所述碳纳米管垂直阵列。
5.根据权利要求1所述的葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法，其特征在于，
所述S3中，拉制所述碳纳米管薄膜并卷成圆筒状，然后滴加所述漆酶水溶液，待所述碳纳米管薄膜干燥后，将圆筒状的所述碳纳米管薄膜一端连接电机，另一端施加预设重力并固定，通过电机转动使所述碳纳米管薄膜形成螺旋卷绕结构，制成所述CNT@Lac纱线。
6.根据权利要求1所述的葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法，其特征在于，
所述硝酸溶液浓度为0.1mol/L，所述葡萄糖溶液浓度为0.2mol/L，所述氯化钠盐浓度为0.15mol/L；
所述硝酸溶液、所述葡萄糖溶液和所述氯化钠盐的体积比为1:1:1。
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- 2023-06-25 CN CN202310748494.0A patent/CN116657282B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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