一种石墨烯电极纳米发电机制备方法及发电机与流程

1.本技术涉及摩擦纳米发电技术领域，尤其涉及一种石墨烯电极纳米发电机制备方法及发电机。


背景技术：

2.摩擦纳米发电机(triboelec tricnanogenerator，teng)是一种新兴能量收集装置，通过摩擦起电和静电感应的耦合实现将环境中的机械能转化为电能。tengs和储能设备整合后，可为物联网、智能家居中的微电子设备提供可持续的电源，从而实现微电设备的自供电。
3.摩擦纳米发电机产生能量的原理为：由于摩擦起电效应，两个摩擦性不同的摩擦薄层之间发生电荷转移，使二者之间形成一个电势差，并通过两个分别粘贴在摩擦薄层背面的电极进行传输形成电流。
4.但是，现有摩擦纳米发电机还存在问题，例如，作为摩擦纳米发电机主要结构的电极，目前常用的制备方法包括真空沉积或者磁控溅射，采用这两种方法制备电极均需要专用的设备，制备流程复杂，制备的电极性能有待提高，另外，制备电极中使用的金属材料价格昂贵且不易回收，从而造成摩擦纳米发电机的制作成本高、性能不高的问题，不利于广泛推广使用。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种石墨烯电极纳米发电机制备方法及发电机，以解决现有摩擦纳米发电机中，采用真空沉积或者磁控溅射方法制备的电极性能差，且制备工艺复杂，造成摩擦发电机的制作成本高、性能差，从而影响摩擦纳米发电机广泛推广使用的问题。
6.本技术提供一种石墨烯电极纳米发电机制备方法，使用激光切割机中的co2激光照射pi薄膜背面，得到预设形状的两个lig电极；将带有两个lig电极的pi薄膜作为摩擦层，选取接触后带有正电荷的电正性摩擦材料作为滑动层，制备得到石墨烯电极纳米发电机。
7.一些实施中，lig电极的形状为长宽比2：1的矩形，极间距离为lig电极电极宽度的一半。
8.一些实施中，通过银浆将lig电极和外接导线连接，形成一对引出电极。
9.一些实施中，在摩擦层以及滑动层的背面均贴附可起支撑作用的保护支撑层。
10.一些实施中，制备lig电极之前还包括：对和pi薄膜以及摩擦层进行表面粗化处理，使pi薄膜以及摩擦层的表面具有较大摩擦。
11.本技术还提供一种石墨烯电极纳米发电机，包括摩擦层与滑动层，所述摩擦层为带有两个lig电极的pi薄膜，其中，两个lig电极为使用激光切割机中的co2激光照射pi薄膜背面形成的，所述滑动层为接触后带有正电荷的电正性摩擦材料。
12.一些实施中，lig电极的形状为长宽比2：1的矩形，极间距离为lig电极电极宽度的一半。
13.一些实施中，所述石墨烯电极纳米发电机还包括用于支撑与保护所述摩擦层与所述滑动的保护支撑层。
14.一些实施中，所述滑动层使用的电正性摩擦材料包括尼龙、腈膜、铜膜以及铝膜。
15.一些实施中，所述石墨烯电极纳米发电机还包括通过银浆与lig电极连接的引出电极，所述引出电极用于外接用电导线。
16.本技术提供了一种石墨烯电极纳米发电机制备方法及发电机，采用激光诱导石墨烯电极，简化了纳米发电机的制备流程，降低了生产成本，也有避免金属电极对于土壤和环境的伤害，有利于石墨烯电极纳米发电机的大规模应用和发展。另外，采用本技术方法制备的石墨烯电极纳米发电机制备方法具有良好的输出性能，在实现传感器自供能方面有巨大的应用潜力。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为石墨烯电极纳米发电机的正视图；
19.图2为石墨烯电极纳米发电机的侧视图；
20.图3为石墨烯电极纳米发电机的组装图；
21.图4为本技术激光诱导石墨烯电极纳米发电机开路电压数据图；
22.图5为本技术激光诱导石墨烯电极纳米发电机转移电荷数据图。
23.图1-3中的标号分别表示为：1-摩擦层，2-滑动层，3-lig电极。
具体实施方式
24.为解决现有摩擦纳米发电机中，采用真空沉积或者磁控溅射方法制备的电极性能差，且制备工艺复杂，造成摩擦纳米发电机的制作成本高、性能差，从而影响摩擦纳米发电机广泛推广使用的问题，本技术提供一种石墨烯电极纳米发电机制备方法，具体实现过程包括如下步骤。
25.步骤s100，使用激光切割机中的co2激光照射pi薄膜背面，得到预设形状的两个lig电极。
26.本实例中，选用激光切割机型号为e5030，其可产生波长1060mm，扫描速率为50mm/s，最大功率为75kw的co2激光。
27.本技术中，采用聚酰亚胺(polyimide，pi)作为制备lig电极的材料，同时，由于其官能团的高电负性，通常也被选用作为摩擦纳米发电机的电负性摩擦材料。
28.本技术中，采用激光诱导石墨烯(laser induced graphene，lig)制备电极，即利用激光照射碳基材料产生多孔石墨烯，当碳基材料表面在激光照射下会迅速碳化，得到多孔结构。相比于化学气相沉积或磁控溅射等方法制备石墨烯电极，本技术中激光诱导法的操作简单、成本低、在空气环境中即可操作，同时，制备的lig电极具有良好的导电性和较高的稳定性。
29.本技术中，lig电极的形状为长宽比2：1的矩形，极间距离为lig电极电极宽度的一
半。
30.为了增大摩擦层和滑动层的有效接触面积，本技术的石墨烯电极纳米发电机制备方法还包括步骤s001，制备lig电极之前还包括：对和pi薄膜以及摩擦层进行表面粗化处理，使pi薄膜以及摩擦层的表面具有较大摩擦。现有技术中，表面粗化处理的方法有多种，例如使用砂纸对表面进行摩擦以实现表面粗化的目的，当然，本领域技术人员可根据实际需要选择合适的粗化方法，其均属于本技术的保护范围。
31.步骤s200，将带有两个lig电极的pi薄膜作为摩擦层，选取接触后带有正电荷的电正性摩擦材料作为滑动层，制备得到石墨烯电极纳米发电机。
32.为增加摩擦层以及滑动层的结构稳固性，本技术的石墨烯电极纳米发电机制备方法还包括以下步骤，在摩擦层以及滑动层的背面均贴附可起支撑作用的保护支撑层。
33.本技术中，保护支撑层选用亚克力板，当然，本领域技术人员可根据实际需要选择其他材质的板材作为保护支撑层，其均属于本技术的保护范围。
34.另外，对于摩擦层、滑动层与保护支撑层的贴附方法，本技术中选用粘合的方法，目前先有技术中可使用的粘合剂有多种，以可实现粘合且不损伤摩擦层、滑动层为准即可，在此将不对粘合的具体过程以及粘合剂种类进行具体限定。
35.本技术中，本技术的石墨烯电极纳米发电机制备方法还包括以下步骤，通过银浆将lig电极和外接导线连接，形成一对引出电极。
36.为了便于本领域的技术人员更好地理解本技术方案，以下结合一实例，进一步说明本技术石墨烯电极纳米发电机制备方法的具体实现过程。
37.选用尼龙膜制作滑动层，选用pi薄膜制作摩擦层，使用砂纸对尼龙和pi薄膜表面进行打磨，以增大摩擦层和滑动层的有效接触面积；
38.将激光切割机设置为最大功率的11％，照射pi薄膜背面得到两个矩形的lig电极，其中，lig电极的长宽分别为2cm、1cm，两个lig电极的间距为0.5cm；
39.将带有两个lig电极的pi薄膜作为摩擦层，尼龙膜作为滑动层，使用亚克力板作为纳米发电机摩擦层和滑动层的保护支撑层，将其用双面胶贴于尼龙和pi背面；
40.通过银浆将lig电极和外接导线连接，形成一对引出电极；
41.通过导线将石墨烯电极纳米发电机与外接设备连接，测试其产生的电信号。
42.本技术还提供一种石墨烯电极纳米发电机，图1为石墨烯电极纳米发电机的正视图，图2为石墨烯电极纳米发电机的侧视图，图3为石墨烯电极纳米发电机的组装图，结合图1-图3所示，石墨烯电极纳米发电机包括摩擦层1与滑动层2，所述摩擦层为带有两个lig电极3的pi薄膜，其中，两个lig电极为使用激光切割机中的co2激光照射pi薄膜背面形成的，所述滑动层为接触后带有正电荷的电正性摩擦材料。
43.本实例中，lig电极的形状为长宽比2：1的矩形，极间距离为lig电极电极宽度的一半。
44.为增加摩擦层以及滑动层的结构稳固性，所述石墨烯电极纳米发电机还包括与所述摩擦层贴附固定的第一保护支撑层，以及与所述滑动层贴附固定的第二保护支撑层。
45.本技术中，本领域技术人员可根据实际需要电正性摩擦材料，包括尼龙、腈膜、铜膜以及铝膜，其均属于本技术的保护范围。
46.本技术中，所述石墨烯电极纳米发电机还包括通过银浆与lig电极连接的一对引
出电极，所述引出电极用于外接用电导线。
47.为说明本技术的石墨烯电极纳米发电机具有良好性能，以下将通过试验数据进行具体说明。试验制备过程为：使用线性马达模拟机械能来驱动石墨烯电极纳米发电机，并使用数字源表测试石墨烯电极纳米发电机的开路电压和转移电荷，其中，数字源表采样频率为10khz。另外，为了控制环境对测试结果的影响，使用除湿机将环境湿度控制在30-50％范围内，本领域本领域技术人员可根据实际需要选择合适的环境湿度，例如40％。
48.图4为本技术激光诱导石墨烯电极纳米发电机开路电压数据图，图5为本技术激光诱导石墨烯电极纳米发电机转移电荷数据图，根据图4与图5可知，石墨烯电极纳米发电机的开路电压和转移电荷分别为80v和0.5nc，输出性能良好。
49.本技术提供了一种石墨烯电极纳米发电机制备方法及发电机，采用激光诱导石墨烯电极，简化了纳米发电机的制备流程，降低了生产成本，也有避免金属电极对于土壤和环境的伤害，有利于石墨烯电极纳米发电机的大规模应用和发展。另外，采用本技术方法制备的石墨烯电极纳米发电机制备方法具有良好的输出性能，在实现传感器自供能方面有巨大的应用潜力。
50.以上所述为本技术最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本技术的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本技术的技术启示而进行的等效变换，也在本技术的保护范围之内。