[发明专利]基于氧化锌纳米纤维/石墨烯复合气凝胶制备高弹性压电能量采集器的方法

说明书

本发明属于压电纳米发电机领域，具体涉及一种基于氧化锌纳米纤维/石墨烯复合气凝胶制备高弹性压电能量采集器的方法，具体方法为：石墨烯气凝胶的制备，氧化锌纳米纤维前驱液的制备，将氧化锌纳米纤维掺杂到石墨烯气凝胶中制得氧化锌纳米纤维/石墨烯复合气凝胶。然后，将其制备成压电能量采集器。本发明采用水热法将氧化锌纳米纤维掺杂到石墨烯气凝胶中，既不破坏气凝胶的内外结构，使其保持外观好、高弹性的优点，又能使氧化锌纳米纤维均匀的分布在气凝胶内部，使其获得压电能量收割的能力。

技术领域

本发明属于压电纳米发电机领域，特别涉及基于氧化锌纳米纤维/石墨烯复合气凝胶制备高弹性压电能量采集器的方法。

背景技术

随着轻质、柔性、可穿戴电子设备的快速发展，可穿戴电子产品极大地促进了人类互动应用的发展，丰富了我们的日常生活。然而传统的化学电池由于寿命短、对环境不友好等特点，对可穿戴电子的快速发展有着重要的制约。有几种很有前途的方法可以用来为这些电子设备提供能量，如压电、静电、电磁和摩擦电能收集。

在各种可能的技术中，由于压电式纳米发电机的输出电压高于其他方法，压电被认为是最合适的解决方案之一。在各项有关纳米能源的研究中，以佐治亚理工学院王中林教授所研究的基于氧化锌纳米线的纳米发电机尤为显著，此研究可在纳米尺度范围内将环境中不易利用的机械振动、空气流动、水流流动、人体机械运动的能量转化成电能，不仅可以使纳米器件在无外接电源的情况下连续工作，而且在一定程度上缓解了目前严峻的能源压力。尽管如此，纳米发电机的一系列不足例如输出功率过小、能量转换效率低、性能不稳定等缺点仍制约着其实用化的进程，其主要是因为由ZnO受力后而产生的压电电荷会和其内部的自由载流子发生中和。

发明内容

基于背景技术中存在的不足，本发明通过在石墨烯气凝胶内部生长出排列有序的ZnO纳米纤维，利用石墨烯气凝胶的高比表面积、高孔隙率、高电导率和良好的机械强度，制得了能量转换效率高、制备工艺简单、压电能量采集次数可达上千次的能量采集器件。

本发明提供了一种可用于采集压电能量的高压缩性能的氧化锌纳米纤维/石墨烯气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氧化锌颗粒溶解于氢氧化钠溶液中得澄清溶液，再加入非离子表面活性剂，超声分散制得均匀的氧化锌纳米纤维前驱体溶液；

其中，氧化锌与氢氧化钠的质量比为1.5:10，氢氧化钠与去离子水的质量比为1:100；非离子表面活性剂为曲拉通X-100，曲拉通x-100与氧化锌颗粒的质量比为1：1000；超声时间为10分钟，功率为300W。

(2)以325目的天然鳞片石墨为原料，将2.5g过硫酸钾与2.5g五氧化二磷依次加入到12ml硫酸中，加热至80℃；加入3g天然鳞片石墨，恒温4～4.5小时；待冷却至室温，加入0.5L去离子水，静置12～24小时；用0.22微米的滤纸抽滤后将产物放入30℃烘箱，12小时；在0℃下加入到120mL硫酸中，缓慢加入15g高锰酸钾并以100转/分钟的速度搅拌，控制温度在20℃以下；水浴加热至30～35℃，恒温2小时；加入250mL去离子水并以100～200转/分钟的速度搅拌1.5～2小时，控制温度在50℃以下；再加入0.5L去离子水并以800～1000转/分钟的速度搅拌8～10分钟；缓慢加入20mL双氧水，溶液变成金黄色，静置12～24小时；倒出上层清液后加入90mL浓盐酸，将溶液分别倒入两个5L玻璃杯，加满去离子水，继续静置出现分层后倒出上层清液，再加满去离子水搅拌2～3分钟后继续静置直至出现分层现象，重复以上操作直至PH值为5或6，再通过透析将PH调至中性；对以上溶液进行离心，离心转速为4000～5000转/分钟，离心时间为8～10分钟，即可得到5mg/mL的氧化石墨烯分散液。

通过水热法制得还原氧化石墨烯水凝胶，再通过自然干燥得还原氧化石墨烯气凝胶；