[发明专利]基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机及其制备方法

说明书

本发明公开一种基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机制备方法，包括：通过PECVD方法在第一金属电极上生长垂直石墨烯阵列，然后再所述垂直石墨烯阵列上旋涂一层第一聚合物薄膜，烘干，固化后得到正性摩擦层；在第二金属电极上旋涂一层第二聚合物薄膜得到负性摩擦层，所述第二聚合物薄膜与第一聚合物薄膜的电负性相差较大；在正性摩擦层和负性摩擦层之间使用海绵或弹簧进行垂直组装得到接触‑分离式的摩擦纳米发电机。该制备方法简单、高效，且制备得到的摩擦纳米发电机具有较高的能量输出。

技术领域

本发明属于摩擦发电技术领域，具体涉及基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术

现代生活离不开能源。小到电灯、家电设备，大到工厂运转、火箭发射都离不开电。然而石油、煤炭、天然气在地球上的存储有限，且都是不可再生能源。此外，在全球变暖，空气质量恶化的大背景下，基于环境保护目的，多个国家均提出碳中和的目标。石油、煤炭等在开发及使用过程中都会产生碳排放。因此，在全球能源危机及碳中和的大背景下，开发可再生清洁能源迫在眉睫。

摩擦纳米发电机(TENG)由王中林院士提出，可以将生活中及自然界广泛中存在的机械能转化为电能，且不受日照等限制，具有发展潜力。摩擦纳米发电机，由于具有质轻、成本低廉、制备工艺简单、稳定性好、能量转化效率高和超长的使用寿命等一系列的优点，在发电领域和移动电子设备有着广泛的应用前景。摩擦纳米发电机的工作原理是基于摩擦起电和静电感应，其中摩擦层是最重要的组成部分，主要是利用摩擦起电产生静电荷。对摩擦层材料而言，每次摩擦的接触面在接触分离后，单位面积转移的电荷量和实际接触面积，在很大程度上决定了摩擦发电的输出电压、电流和功率等电学性能。

随着移动电子设备朝着小型化方向的发展，对电源要求越来越高：能量密度更高，供电时间更长。对摩擦纳米发电机而言，必须大幅度地提高它的输出功率，也即单位面积转移的电荷量。对摩擦材料的表面进行粗糙化处理，能在很大程度上提高摩擦过程中的实际接触面积，使得摩擦纳米发电机在总的面积或者体积不变的情况下，单位面积或者单位体积的输出功率大幅度提高，最终实现在发电领域和移动电子设备领域的广泛应用。

目前，摩擦纳米发电机的优化与改性，包括以下几个方面：其一，表面粗糙化，即在表面形成三角锥形、金字塔形、条形和圆柱形等各种图案或者微纳结构；其二，提高单位面积转移的电荷量，包括选择摩擦性能更优异的摩擦材料、表面注入电荷、化学处理、引入有机物官能团；其三、设计特殊结构，包括栅格结构、旋转圆盘结构和滚筒结构等，提高电子的转移效率；其四、优化电容结构；其五，构造多个摩擦纳米发电机的串并联结构，提高空间利用率，从而大幅度地提高单位面积/体积的输出功率。

但针对现有技术公开的摩擦纳米发电机机械能转化效率还需要进一步提高，需要采取多种方法提高其输出能量。因此亟需设计一种能够输出较高输出能量的摩擦纳米发电机的制备方法。

发明内容

本发明提供一种基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机制备方法，该制备方法简单、高效，且制备得到的摩擦纳米发电机具有较高的能量输出。

一种基于垂直石墨烯阵列的摩擦纳米发电机制备方法，包括：

通过等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)方法在第一金属电极上生长垂直石墨烯阵列，然后在所述垂直石墨烯阵列上旋涂一层第一聚合物薄膜，烘干，固化后得到正性摩擦层；

在第二金属电极上旋涂一层第二聚合物薄膜得到负性摩擦层，所述第二聚合物薄膜与第一聚合物薄膜的电负性相差较大；

在正性摩擦层和负性摩擦层之间使用弹性元件进行垂直组装得到接触-分离式的摩擦纳米发电机。

所述第一聚合物薄膜为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或Eco-flex。

所述第一聚合物薄膜的厚度为1μm-3mm。