自发电柔性纳米发电机及其应用

1.本技术涉及一种自发电柔性纳米发电机及其应用，属于自供电能量转化技术领域。


背景技术：

2.近代以来，人类社会生产力飞速提高，工业化不断进展。与之同时，环境问题也愈发突出，工业产品的生产，运输以及处理过程中会排放废气，消耗能源。随着人口增加，需求增多，这些问题也愈发突出。摩擦纳米发电机(teng)是王忠林教授于2012年首次提出，teng可以用来收集人类社会生活中释放的各种形式的能量，其中包括人体运动、环境振动、机械运动、风能、水能等等。摩擦纳米发电机的出现，为解决能源、环境问题提供了崭新的思路，为如今快速发展的物联网构建也指出了新方向。
3.现有技术中的尿液中葡萄糖浓度检测的摩擦纳米发电机，包括xue xinyu课题组发表的检测葡萄糖浓度纳米发电机，该发电机采用阵列模式，组装过程包括铜板刻蚀等过程，刻蚀过程繁琐且耗时；另外，也有利用氧化锌纳米阵列的压电特性检测葡萄糖浓度的工作发表，但是氧化锌纳米阵列的生长过程耗时且不宜重复。本技术提到的纳米发电机组装简便，结构简单且耗时短，能够有效克服以上缺点。


技术实现要素：

4.根据本技术的一个方面，提供了一种自发电柔性纳米发电机，本技术中的自发电柔性纳米发电机是一种将环境中的机械振动转化为电流的摩擦发电设备,可用于尿液中葡萄糖浓度的检测；该设备不需要外接电源等能源供给，可从人体运动或者外界振动中吸取能量，实现对尿液中葡萄糖的检测，而且对葡萄糖浓度变化的信号响应更强。对节约能源、改善人类生活有重要意义。
5.一种自发电柔性纳米发电机，所述自发电柔性纳米发电机由上至下依次包括：第一电极层、拱桥形块体、whatman滤纸、导电膜、第二电极层；
6.所述拱桥形块体包括两个支撑台和振动顶面，所述振动顶面的两边分别与两个所述支撑台固定；两个所述支撑台与所述振动顶面围合成中空的凹槽；所述振动顶面在所述凹槽中振动时，与所述whatman滤纸摩擦；所述拱桥形块体的表面有吸附电子层。
7.具体地，本技术提供一种将环境中的机械振动转化为电流的摩擦发电设备,可用于尿液中葡萄糖浓度的检测。其组成从上到下分别是第一电极层，拱桥形外表面带有吸附电子层的块体、whatman滤纸、pani膜、第二电极层。两个电极层上连接有与外部电子元件相连接的导线。当感受到外界振动时，拱桥形块体会上下移动，与whatman滤纸发生摩擦，将环境中的机械能转换为电能从而生成电流。使用时，取一定量待测液滴加到待测液区，待测液在毛细作用下扩散到指示区后，等待一段时间后便可通输出电流的变化来判断葡萄糖浓度。
8.所述拱桥形块体的底面内凹形成空腔，以使所述拱桥形块体的部分顶面在所述空
腔中振动时，与所述whatman滤纸发生摩擦。
9.可选地，所述whatman滤纸上沿长度方向设有待测液区、通道和指示区；所述通道的一端与所述待测液区连接；所述通道的另一端与所述指示区连接；所述待测液区、通道和指示区均与所述振动顶面相对。
10.具体地，使用石蜡喷墨打印的技术构筑在whatman滤纸上构筑指示区、通道、待测液区。待测液可以从待测液区向通道和指示区流动。
11.可选地，所述指示区和待测液区均为圆形，
12.所述指示区直径为0.1-3厘米；
13.所述通道宽度为0.1-2厘米，所述通道长度为0.1-1.5厘米；
14.所述待测液区直径为0.1-3厘米。
15.可选地，所述指示区为长方形，所述待测液区为圆形，
16.所述指示区宽度为0.1-5厘米，所述指示区长度为0.1-5厘米；
17.所述通道宽度为0.1-2厘米，所述通道长度为0.1-1.5厘米；
18.所述待测液区直径为0.1-3厘米。
19.可选地，所述导电膜为聚合物导电膜；
20.所述聚合物导电膜包括聚苯胺膜、聚吡咯膜、聚噻吩膜中的任一种。
21.可选地，所述导电膜将指示区覆盖。
22.可选地，所述拱桥形块体的材质为电负性大于8的聚合物。
23.可选地，所述拱桥形块体的材质选自pdms，ptfe，pvdf、硅橡胶中的至少一种。
24.可选地，所述拱桥形块体的尺寸为：长度2～50cm；宽度2～50cm；厚度0.02～0.2cm。
25.可选地，所述凹槽为立方体结构；
26.所述凹槽的尺寸为：长度0.1-10cm；宽度0.1-10cm；高度0.02-0.2cm。
27.可选地，所述第一电极和第二电极独立地选自铜电极、铂电极、中的任一种。
28.可选地，所述聚苯胺膜的制备方法包括：
29.将pi薄膜浸入含有苯胺、对甲苯磺酸、过硫酸铵、亲水聚合物的酸性反应体系中，反应，得到所述聚苯胺膜。
30.具体地，将pi薄膜浸入含有苯胺，对甲苯磺酸，过硫酸铵以及亲水聚合物的酸性反应体系中，反应1-10h后取出，用去离子水多次清洗后备用。
31.可选地，苯胺1-10ml，对甲苯磺酸1-20g，过硫酸铵1-20g，酸浓度0.1-5mol/l，亲水性聚合物0.5-10g。
32.可选地，所用酸可以是盐酸，磷酸或者是硫酸中的一种或几种。
33.可选地，所用亲水聚合物可以是聚乙烯醇，聚乳酸、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯的一种或几种。
34.根据本技术的第二方面，还提供了一种溶液中葡萄糖浓度检测的方法，利用上述中任一项所述的自发电柔性纳米发电机对溶液中葡萄糖浓度进行检测。
35.可选地，所述方法包括：
36.s100、将含有葡萄糖的待测液滴加至whatman滤纸的待测液区，所述待测液扩散到指示区；
37.s200、在外界振动下，拱桥形块体的振动顶面在凹槽中振动，与whatman滤纸摩擦，将机械振动转化为电信号；
38.s300、导电膜接收并传导所述指示区中的电信号，得到葡萄糖浓度与电流的响应关系。
39.本技术中，“pani”，是指聚苯胺的简称；
[0040]“pi”是聚酰亚胺的简称；
[0041]“pdms”是聚二甲基硅烷的简称；
[0042]“ptfe”是聚四氟乙烯的简称；
[0043]“pvdf”是聚偏氟乙烯的简称。
[0044]
本技术能产生的有益效果包括：
[0045]
1)本技术的自发电柔性纳米发电机无需外接电源，通过收集人体或者环境振动的机械能即可实现对传感器的驱动。
[0046]
2)本技术的自发电柔性纳米发电机，组装简便，使用便利，制作成本低，有广泛推广使用的价值
[0047]
3)本技术的自发电柔性纳米发电机可用于尿液中葡萄糖检测，是一种环保、便捷的手段，可以随时随地进行检测，响应更强，结构简单，制备简便。
附图说明
[0048]
图1为本技术一种实施方式中自发电柔性纳米发电机的爆炸图；
[0049]
图2为本技术一种实施方式中自发电柔性纳米发电机的组装后的结构示意图；
[0050]
图3为本技术一种实施方式中whatman滤纸的示意图；
[0051]
图4为本技术一种实施方式中，检测溶液中葡萄糖浓度的电流信号-时间图；
[0052]
图5为本技术一种实施方式中，玻璃模具示意图。
[0053]
部件和附图标记列表：
[0054]
1.whatman滤纸；2指示区；3通道；4待测液区。
具体实施方式
[0055]
下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
[0056]
如无特别说明，本技术的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。
[0057]
本发明提供了一种将环境中的机械振动转化为电流的摩擦发电设备,可用于尿液中葡萄糖浓度的检测。该设备不需要外接电源等能源供给，可从人体运动或者外界振动中吸取能量，实现对尿液中葡萄糖的检测。对节约能源、改善人类生活有重要意义。
[0058]
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0059]
一种可用于溶液中葡萄糖检测的摩擦发电设备，为多层结构的摩擦纳米发电体，包括两个电极层、拱桥形外表面带有吸附电子层的块体、whatman滤纸、pani膜以及与外部设备连接的导线。
[0060]
本发明所用whatman滤纸上使用石蜡喷墨打印的技术构筑了指示区、通道、待测液区，所述的指示区直径为0.1-3厘米；通道宽度为0.1-2厘米，长度为0.1-1.5厘米；待测液区直径为0.1-3厘米。
[0061]
本发明中拱桥形外表面带有吸附电子层的块体，其材质为：pdms，ptfe，pvdf或者硅橡胶等常见柔韧性好、电负性大的聚合物中的一种或二种以上，长或宽2-50cm，厚度0.02-0.2cm。
[0062]
本发明中，pani膜制备过程特征在于：将pi薄膜浸入含有苯胺，对甲苯磺酸，过硫酸铵以及亲水聚合物的酸性反应体系中，反应1-10h后取出，用去离子水多次清洗后备用。
[0063]
其制备体系特征在于：苯胺1-10ml，对甲苯磺酸1-20g，过硫酸铵1-20g，酸浓度0.1-5mol/l，亲水性聚合物0.5-10g。
[0064]
所用酸可以是盐酸，磷酸或者是硫酸中的一种或几种。
[0065]
所用亲水聚合物可以是聚乙烯醇，聚乳酸、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯的一种或几种。
[0066]
下述实施例中pani膜的制备方法：将pi薄膜浸入含有苯胺，对甲苯磺酸，过硫酸铵以及亲水聚合物的酸性反应体系中，反应8h后取出，用去离子水多次清洗后备用。
[0067]
其中，苯胺2ml，对甲苯磺酸10g，过硫酸铵10g，酸浓度2.5mol/l，亲水性聚合物5g；所用酸可以是盐酸；所用亲水聚合物可以是聚乙烯醇。
[0068]
实施例1
[0069]
一种自发电柔性纳米发电机，其组装步骤如下：
[0070]
将事先除气泡的液态pdms注入到自制的玻璃模具(图5)中，为了得到拱桥形块体，会在模具底部贴上0.3cm厚度的聚酰亚胺胶带，120摄氏度加热15min，得到如图1所示的拱桥形块体。将固化的pdms(2
×
2.5
×
0.3cm)剥离备用，内凹槽的尺寸为1
×
2.5
×
0.3cm。在pdms上平面的一侧粘上铜箔电极，拱形一侧贴上裁好的whatman滤纸(2
×
2.5cm)。在滤纸另一侧粘上事先制备好的pani膜(1
×
2.5cm)，再粘上一层铜箔电极(1
×
2.5cm)，制得的自发电柔性纳米发电机如图1和图2所示。
[0071]
其中，whatman滤纸1的结构如图3所示，指示区2尺寸为2
×
0.5cm；通道3尺寸为1.5
×
0.5cm；待测液区4尺寸直径0.3cm。
[0072]
实施例2
[0073]
一种自发电柔性纳米发电机，其组装步骤如下：
[0074]
将事先除气泡的液态pdms注入到自制的玻璃模具中，120摄氏度加热20min，得到如图1所示的拱桥形块体。将固化的pdms(3
×4×
0.3cm)剥离备用，内凹槽的尺寸为2
×4×
0.3cm。在pdms上平面的一侧粘上铝箔电极，拱形一侧贴上裁好的whatman滤纸(3
×
4cm)。在滤纸另一侧粘上事先制备好的pani膜(2
×
4cm)，再粘上一层铝箔电极(2
×
4cm)。
[0075]
其中，whatman滤纸1的结构如图3所示，指示区2尺寸为1.5
×
2cm；通道3尺寸为2
×
0.3cm；待测液区4尺寸直径0.3cm。
[0076]
实施例3
[0077]
一种自发电柔性纳米发电机，其组装步骤如下：
[0078]
将事先除气泡的液态pdms注入到自制的玻璃模具中，120摄氏度加热10min，得到如图1所示的拱桥形块体。将固化的pdms(2.5
×3×
0.5cm)剥离备用，内凹槽的尺寸为2
×3×
0.3cm。在pdms上平面的一侧粘上铜箔电极，拱形一侧贴上裁好的whatman滤纸(2.5
×
3cm)。在滤纸另一侧粘上事先制备好的pani膜(1
×
3cm)，再粘上一层铜箔电极(1
×
3cm)。
[0079]
其中，whatman滤纸1的结构如图3所示，指示区2尺寸为1
×
2cm；通道3尺寸为0.3
×
0.5cm；待测液区4尺寸直径0.6cm。
[0080]
使用时向whatman滤纸上的待测液区滴加含有葡萄糖的待测液(100mg/l葡萄糖待测液：1mg葡萄糖加入10ml pbs缓冲液中；500mg/l葡萄糖待测液：5mg葡萄糖加入10ml pbs缓冲液中)，将15s后读取电信号。测试结果如图4所示，由图4可以看出随着葡萄糖浓度上升，电流有下降趋势。
[0081]
实施例4
[0082]
一种自发电柔性纳米发电机，其组装步骤如下：
[0083]
将事先除气泡的液态pdms注入到自制的玻璃模具(图5)中，120摄氏度加热15min，得到如图1所示的拱桥形块体。将固化的pdms(2
×
2.5
×
0.3cm)剥离备用，内凹槽的尺寸为1.8
×
2.5
×
0.3cm。在pdms上平面的一侧粘上铜箔电极，拱形一侧贴上裁好的whatman滤纸(2
×
2.5cm)。在滤纸另一侧粘上事先制备好的聚吡咯膜(1
×
2.5cm)，再粘上一层铜箔电极(1
×
2.5cm)，制得的自发电柔性纳米发电机如图1和图2所示。
[0084]
其中，whatman滤纸1的结构如图3所示，指示区2尺寸为1
×
1cm；通道3尺寸为1
×
0.2cm；待测液区4尺寸直径0.5cm。
[0085]
以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。