[发明专利]一种柔性三维多孔石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合摩擦纳米发电机的制备方法

说明书

本发明涉及一种柔性三维多孔石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合摩擦纳米发电机的制备方法，包括：使用冰模板法辅助重力自组装的方法制备柔性三维多孔石墨烯薄膜，使用焦耳热辅助吸附的方法制备三维多孔石墨烯/PDMS复合薄膜，三维多孔石墨烯/PDMS复合薄膜连接集流体制备摩擦纳米发电机。本发明制作工艺简单，使用市场上化学法合成的石墨烯，成本低廉；制备得到的三维多孔石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合摩擦纳米发电机结构简单，柔软、轻巧，可以在复杂多变的环境下使用，同时具有优异的力学性能，循环稳定性好，由于石墨烯薄膜良好的导电性，以及PDMS表面较大的粗糙度，使得发电机具有优异的电学性能与工作效率。

技术领域

本发明属于发动机的制备领域，特别涉及一种柔性三维多孔石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合摩擦纳米发电机的制备方法。

背景技术

随着人类社会的不断发展，全球能源危机问题日益严重，然而在能源的利用过程中，机械摩擦损耗了大部分能量。因此，有效地收集机械摩擦损耗的能量显得尤为重要。特别地，在柔性电子和可穿戴器件飞速发展的当今，研究柔性机械能收集器件具有十分重要的实用价值和现实意义。传统的柔性发电机一般分为两类：(1)利用电磁感应原理发电，此类发电机需要导电线圈和磁铁，一般比较笨重，不方便携带；(2)利用压电原理发电，此类发电机一般输出功率较低，难以有效地收集机械能。摩擦纳米发电机是一种利用摩擦起电效应进行能量转换的装置，它是利用摩擦起电积累正负电荷，然后利用运动的正负电荷与电极之间的静电感应对外输出电能。摩擦纳米发电机具有输出电压高、绿色无污染、材料来源广、成本低廉、安全可靠、轻巧便捷等优点，因此其在可穿戴设备能源供应领域具有广阔的应用前景。然而，摩擦纳米发电机的多级结构较为复杂，使用场合受到限制。

石墨烯可以看作是由碳原子通过SP²杂化方式构筑而成具有单原子层厚度的二维平面结构。平面内碳原子间通过SP²杂化所形成的σ键具有超高的键能，使得石墨烯具有超高的强度；垂直于平面的π电子形成了离域电子网络，使得石墨烯具有超高的导电性。因此，由石墨烯为前驱体制备的三维多孔石墨烯薄膜具有突出的机械稳定性与良好的电子传输性，在摩擦纳米发电机领域具有巨大的应用前景。然而，目前已有的石墨烯基摩擦纳米发电机结构均较为复杂，难以充分发挥石墨烯的特性，且基于三维多孔石墨烯薄膜的柔性摩擦纳米发电机也尚未实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性三维多孔石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合摩擦纳米发电机的制备方法，该方法工艺简单，成本低廉，制备得到的摩擦纳米发电机具有优异的力学性能，可以多次循环使用，该发电机超轻、超柔，可应用于各种复杂的环境。

本发明的一种柔性三维多孔石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合摩擦纳米发电机的制备方法，具体步骤为：

(1)使用冰模板法辅助重力自组装的方法制备柔性三维多孔石墨烯薄膜；

(2)对步骤(1)中柔性三维多孔石墨烯薄膜通电，吸附预聚合聚二甲基硅氧烷PDMS溶液，加热固化，得到三维多孔石墨烯/PDMS复合薄膜；

(3)将步骤(2)中三维多孔石墨烯/PDMS复合薄膜的一端连接集流体作为信号输出端，集流体与外电路相连，得到柔性三维多孔石墨烯/PDMS复合摩擦纳米发电机。

所述步骤(1)中使用冰模板法辅助重力自组装的方法具体为：将氧化石墨烯分散液倒入底部密封的砂芯漏斗中，冷冻，砂芯漏斗底部解密封，重力自组装，冷冻干燥，加入还原剂还原，得到柔性三维多孔石墨烯薄膜，其中氧化石墨烯分散液的浓度为0.5-10mg/mL，氧化石墨烯与还原剂的质量比为1:10～1:100。

所述氧化石墨烯分散液的制备方法为：将氧化石墨烯分散在去离子水中，搅拌1-5h，超声2-10h，得到氧化石墨烯分散液。

所述冷冻是用液氮，冷冻时间为1-5min；重力自组装时间为3-48h；冷冻干燥时间为12-24h。