[發(fā)明專利]基于垂直石墨烯陣列的摩擦納米發(fā)電機及其制備方法

在審

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• 申請日: 2022-08-02
• 公開（公告）號: CN115313903A
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發(fā)明（設計）人: 劉舒婷;董樹榮;張亮;軒偉鵬;金浩;駱季奎;劉剛;鐘高峰;鄒錦林
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;C23C16/50;C23C16/26
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發(fā)明公開一種基于垂直石墨烯陣列的摩擦納米發(fā)電機制備方法，包括：通過PECVD方法在第一金屬電極上生長垂直石墨烯陣列，然后再所述垂直石墨烯陣列上旋涂一層第一聚合物薄膜，烘干，固化后得到正性摩擦層；在第二金屬電極上旋涂一層第二聚合物薄膜得到負性摩擦層，所述第二聚合物薄膜與第一聚合物薄膜的電負性相差較大；在正性摩擦層和負性摩擦層之間使用海綿或彈簧進行垂直組裝得到接觸?分離式的摩擦納米發(fā)電機。該制備方法簡單、高效，且制備得到的摩擦納米發(fā)電機具有較高的能量輸出。

技術領域

本發(fā)明屬于摩擦發(fā)電技術領域，具體涉及基于垂直石墨烯陣列的摩擦納米發(fā)電機及其制備方法。

背景技術

現(xiàn)代生活離不開能源。小到電燈、家電設備，大到工廠運轉、火箭發(fā)射都離不開電。然而石油、煤炭、天然氣在地球上的存儲有限，且都是不可再生能源。此外，在全球變暖，空氣質量惡化的大背景下，基于環(huán)境保護目的，多個國家均提出碳中和的目標。石油、煤炭等在開發(fā)及使用過程中都會產(chǎn)生碳排放。因此，在全球能源危機及碳中和的大背景下，開發(fā)可再生清潔能源迫在眉睫。

摩擦納米發(fā)電機(TENG)由王中林院士提出，可以將生活中及自然界廣泛中存在的機械能轉化為電能，且不受日照等限制，具有發(fā)展?jié)摿ΑＤΣ良{米發(fā)電機，由于具有質輕、成本低廉、制備工藝簡單、穩(wěn)定性好、能量轉化效率高和超長的使用壽命等一系列的優(yōu)點，在發(fā)電領域和移動電子設備有著廣泛的應用前景。摩擦納米發(fā)電機的工作原理是基于摩擦起電和靜電感應，其中摩擦層是最重要的組成部分，主要是利用摩擦起電產(chǎn)生靜電荷。對摩擦層材料而言，每次摩擦的接觸面在接觸分離后，單位面積轉移的電荷量和實際接觸面積，在很大程度上決定了摩擦發(fā)電的輸出電壓、電流和功率等電學性能。

隨著移動電子設備朝著小型化方向的發(fā)展，對電源要求越來越高：能量密度更高，供電時間更長。對摩擦納米發(fā)電機而言，必須大幅度地提高它的輸出功率，也即單位面積轉移的電荷量。對摩擦材料的表面進行粗糙化處理，能在很大程度上提高摩擦過程中的實際接觸面積，使得摩擦納米發(fā)電機在總的面積或者體積不變的情況下，單位面積或者單位體積的輸出功率大幅度提高，最終實現(xiàn)在發(fā)電領域和移動電子設備領域的廣泛應用。

目前，摩擦納米發(fā)電機的優(yōu)化與改性，包括以下幾個方面：其一，表面粗糙化，即在表面形成三角錐形、金字塔形、條形和圓柱形等各種圖案或者微納結構；其二，提高單位面積轉移的電荷量，包括選擇摩擦性能更優(yōu)異的摩擦材料、表面注入電荷、化學處理、引入有機物官能團；其三、設計特殊結構，包括柵格結構、旋轉圓盤結構和滾筒結構等，提高電子的轉移效率；其四、優(yōu)化電容結構；其五，構造多個摩擦納米發(fā)電機的串并聯(lián)結構，提高空間利用率，從而大幅度地提高單位面積/體積的輸出功率。

但針對現(xiàn)有技術公開的摩擦納米發(fā)電機機械能轉化效率還需要進一步提高，需要采取多種方法提高其輸出能量。因此亟需設計一種能夠輸出較高輸出能量的摩擦納米發(fā)電機的制備方法。

發(fā)明內容

本發(fā)明提供一種基于垂直石墨烯陣列的摩擦納米發(fā)電機制備方法，該制備方法簡單、高效，且制備得到的摩擦納米發(fā)電機具有較高的能量輸出。

一種基于垂直石墨烯陣列的摩擦納米發(fā)電機制備方法，包括：

通過等離子體增強化學的氣相沉積法(PECVD)方法在第一金屬電極上生長垂直石墨烯陣列，然后在所述垂直石墨烯陣列上旋涂一層第一聚合物薄膜，烘干，固化后得到正性摩擦層；

在第二金屬電極上旋涂一層第二聚合物薄膜得到負性摩擦層，所述第二聚合物薄膜與第一聚合物薄膜的電負性相差較大；

在正性摩擦層和負性摩擦層之間使用彈性元件進行垂直組裝得到接觸-分離式的摩擦納米發(fā)電機。

所述第一聚合物薄膜為聚二甲基硅氧烷(PDMS)或Eco-flex。

所述第一聚合物薄膜的厚度為1μm-3mm。