[发明专利]集成纳米发电机及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米发电机，尤其是涉及一种在大面积金属基底上平行串联纳米发电机单元集成的纳米发电机。

背景技术

2006年，美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机-纳米发电机。但是，虽然研发出来了单个的纳米发电机，但其功率有限，必须要有大量的纳米发电机共同工作，组成一个发电机组，才能真正满足实际使用的需要。

由于能源危机和全球变暖，目前研究的重点是：寻求替代能源的资源，比如日光、风、氢气或地热资源为基础的再生能源和绿色能源。现有技术已有以这些自然资源为基础的能量收获技术，且这些技术的使用也在逐渐增长。但是，我们的生活环境中仍然有许多形式的能量资源没有被利用。机械能源是最有代表性的资源之一，能够从生活环境中充足的振动、人类行走、汽车移动等人为生成，但是这些资源通常被浪费掉了。

纳米发电机的基本原理是：当纳米线（NWs）在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。现有纳米发电机及纳米发电机组，由于高成本、低输出过程和弱耐久性，难以应用到能量收获装置从环境中提取机械能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有纳米发电机成本高、低输出过程和弱耐久性的缺陷，提供一种集成纳米发电机，在均匀生长有氧化锌纳米线的大面积喷砂金属基底上，平行串联集成纳米发电机，该纳米发电机成本效益高、输出电流和电压性能高，能够将人类和汽车的机械运动转化成电。

本发明的集成纳米发电机，采用大面积的覆有砂粒的金属基底，具有增强的亲水性和耐久性，氧化锌纳米线（NWs）能够均匀生长在该大面积金属基底上，将该金属基底用作底部电极，为平行、串联集成纳米发电机提供了基础。本发明将上电极水平和/或垂直分开，且将每根导线都分别连接到顶部电极上，水平集成纳米发电机，以增强输出电流。本发明将底部电极外的生长有氧化锌纳米线的大面积金属基底分成纳米发电机，且将这些发电机垂直堆放，串联集成纳米发电机，以增强输出电压。

为了解决上述技术问题，本发明提供的第一技术方案是，一种集成纳米发电机，由至少两个串联集成单元M在大面积的覆有砂粒的金属层上平行集成；所述串联集成单元M由至少两个纳米发电机在垂直于金属层方向串联集成；所述纳米发电机包括：下电极层，氧化锌纳米线阵列，高分子绝缘层和上电极层，所述氧化锌纳米线阵列垂直生长在下电极层上，所述氧化锌纳米线阵列上涂覆有所述高分子绝缘层，所述高分子绝缘层将所述氧化锌纳米线阵列覆盖，所述上电极层设置于高分子绝缘层上。

前述的集成纳米发电机，所述串连集成单元M中，在下纳米发电机的上电极用作在上纳米发电机的下电极，所述电极是金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或它们的合金中的任意一种，优选铝，其生长氧化锌纳米线阵列的表面覆有砂粒。

前述的集成纳米发电机，所述砂粒的粒径为30-70μm，优选45-55μm。

前述的集成纳米发电机，所述串联集成单元M为2-500个，每个串联集成单元M中纳米发电机为2-500个。

前述的集成纳米发电机，所述串联集成单元M为5-25个，每个串联集成单元M中纳米发电机为3到20个。

前述的集成纳米发电机，所述高分子绝缘层是聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷

前述的集成纳米发电机，所述金属层是金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中的任意一种，优选铝。

前述的集成纳米发电机，所述种子层是氧化锌种子层或金种子层。

本发明提供的第二技术方案是，一种集成纳米发电机的制备方法，该方法包括下述步骤：a.将砂粒喷射到金属层的一个表面上，得到其一个面覆有砂粒的金属层；b.在覆有砂粒的金属层面上形成种子层，在金属层的种子层上垂直生长氧化锌纳米线阵列，然后，通过旋涂法将高分子绝缘层覆盖于氧化锌纳米线阵列层上；c.至少重复步骤a和b一次；d.将所得金属层中的其中之一作为底部电极，将该用作底部电极外的其余金属层分别分割成至少两个单元，然后将所述单元在底部电极上叠放，形成至少两层结构体；e.在顶层的各个纳米发电机上分别放置顶部电极金属层，得到集成纳米发电机。

优选的顶部电极为选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中一种。