專利名稱：一種基于石墨烯的流體發電裝置或波動傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及發電裝置，特別涉及利用流體在石墨烯表面的充放電效應，將流體波動能轉化為電能，構成交流流體發電裝置。
背景技術：
隨著未來傳感器、變換器、數據處理、控制單元和通訊系統的系統集成度越來越高，器件特征尺寸的不斷減小，功能器件的能耗不斷降低，商業化的器件如藍牙通訊的功耗已低至10 nW/bit。無線無源設備可以實現無源、低功耗、無人看護的在線監測，并將數據實時傳回，提高設備的運行效率，降低系統的維護成本。無線無源設備一般是從傳感器或者控制器所在的環境中直接采集能量，如光能、熱能、電磁波、震動能及其他形式的機械能等。納米技術在納智能材料器件領域尤其是無線無源器件中發揮著越來越重要的作用。美國佐治亞理工學院的王中林教授研究組利用ZnO納米線的壓電特性，在納米尺度范圍內將機械能轉化為電能，制成了將機械振動能、流體震動能等轉變為電能的納米發電機， 通過器件集成其輸出電壓可至10 V，輸出電流0.6 μ A (Http//dx.doi.org/10. 1021/ nl201505c)。研究發現，氣流在碳納米管束上流動時會產生 mV級的電壓，且氣流速度和產生的電壓具有線性關系，可以用作能量轉化系統或者流體傳感器(Science，2003，四9， 1042-1044)。
發明內容
本發明的目的是提供一種結構簡單，費用低的流體發電裝置。為了解決上述問題，本發明的技術方案如下
一種流體發電裝置，其結構如圖1所示，它是在絕緣基底(1)上結合一層石墨烯薄膜層 (2)，在石墨烯薄膜層的兩端分別有電極(3)和電極(4)。上述流體發電裝置，所述的絕緣基底可以是任意的固體絕緣材料，如塑料、橡膠、
玻璃等。上述流體發電裝置，所述的電極包括但不限于銅、鐵、金、銀等金屬電極或其它任意導電材料，如I TO、PED0T-PSS等。一種制備上述流體發電裝置的方法，它包括如下步驟
(一)準備絕緣基底，洗凈，氮氣吹干；
(二)化學氣相沉積生長石墨烯以銅箔為基底，維持生長溫度95(Tl00(rC，通入甲烷和氫氣，氣體流量為甲烷25 sccm，氫氣10 sccm，生長15分鐘后，關閉甲烷，在IOsccm氫氣氣流保護下快速冷卻到室溫，在銅箔上得到層數為1層或多層的石墨烯薄膜；
(三)石墨烯轉移至基底上將覆蓋有石墨烯的銅片表面懸涂5%聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)的苯甲醚溶液，苯甲醚揮發后將銅片置于0. IMol/L氯化鐵溶液中浸泡至銅完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA層，用稀鹽酸和去離子水清洗后，將其轉移到基底上，結合牢固后用丙酮溶解去PMMA層，得到轉移到基底上的石墨烯薄膜層；(四)電極制備在石墨烯薄膜層兩端制作電極(3)和(4)后，引出導線，用絕緣硅膠封裝，即制得流體發電裝置。上述流體發電裝置的制備方法，步驟(二)所述的石墨烯薄膜可以是外延生長或化學組裝等方法制備的單層或多層石墨烯薄膜。上述流體發電裝置，發電時使用的流體包括海水、湖水、離子液體、鹽溶液等任意具有可電離出離子的液體。 上述流體發電裝置，發電時的運動狀態可以是流體液面的上下波動，或流體發電裝置在液體表面上下運動，且部分石墨烯露出液面。上述流體發電裝置，可以串聯或并聯獲得更高的輸出電壓或電流。上述流體發電裝置，可以用作監測流體波動狀態的傳感器。本發明利用流體波動在石墨烯表面的充放電效應，可以穩定獲得5 50mV的輸出電壓。本發明裝置結構簡單，無轉動或傳動部件，原理上，通過多個發電單元的串聯和并聯可以有效提高發電裝置的輸出電壓和電流，可作為小型負載的有效輸出電源。此外，該流體發電裝置的電壓-波動速度特性可以用作流體波動強度的傳感器。
圖1為流體發電裝置的結構示意圖； 圖2為實施例1的流體發電裝置；
圖3為實施例1發電單元在氯化鈉溶液中運動時的輸出電壓-時間關系；
圖4為實施例2中浸入速度-電壓關系；
圖5為實施例2中連續測試時電壓變化和時間關系；
圖6為實施例3的流體發電裝置；
圖7為實施例3中發電裝置輸出電壓-時間關系；
圖8為實施例4中發電單元在硫酸鈉溶液中運動時的電壓-時間關系。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明做進一步詳細說明。實施例1:
發電裝置如圖2所示，具體操作步驟如下
(一)準備絕緣基底聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET):用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗PET 膜各lOmin，氮氣吹干。(二)化學氣相沉積生長石墨烯以25微米厚銅箔為基底，維持生長溫度950 IOOO0C ,通入甲烷和氫氣，氣體流量為甲烷25 sccm，氫氣10 sccm，生長15分鐘后，關閉甲烷，在IOsccm氫氣氣流保護下快速冷卻到室溫，在銅箔上得到層數為1-2層的石墨烯薄膜。(三)石墨烯轉移至PET膜將覆蓋有石墨烯的銅片表面懸涂5%PMMA苯甲醚溶液， 苯甲醚揮發后將銅片置于0. IMol/L氯化鐵溶液中浸泡至銅完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA層，用稀鹽酸和去離子水清洗后，將其轉移到PET基底上，結合牢固后用丙酮溶解去PMMA層，得到轉移到PET基底上的石墨烯薄膜層。(四)電極制備在石墨烯樣品兩端沉積Au電極(3)和(4)后，將引線焊接到金電極上，用絕緣硅膠封裝。(五)將在電極(3)和電極(4)之間連接至電壓表或負載。(六)將流體發電裝置浸入0.1 Mol/L的氯化鈉溶液過程中，速度為78 cm/s，在電壓表觀測到可產生 15 mV的電壓，產生的電流在數個mA，如圖3所示。從0. 1 Mol/L的氯化鈉溶液中提出流體發電單元，產生了 3 mV的反向電壓。實施例2
流動發電裝置作為波動傳感器，具體操作步驟如下
將實施例1制備的流體發電裝置，改變流體發電裝置浸入0. 1 Mol/L氯化鈉溶液的速度，可以得到浸入速度和電壓具有一定線性關系，實例測量的速度范圍為0. 1 0.8 m/s, 在浸入速度低于50cm/s時精度可達厘米級，結果見表1和圖4所示。連續測試流體波動速度0.8m/s時產生電壓與時間的關系，輸出電壓信號波動很小，結果如圖5所示。這表明該流體發電裝置可用于流體波動傳感器。表 權利要求
1.一種流體發電裝置，其特征是它是在絕緣基底(1)上結合一層石墨烯薄膜層(2)， 在石墨烯薄膜層的兩端分別有電極(3)和電極(4)。
2.根據權利要求1所述流體發電裝置，其特征是所述的絕緣基底是任意的固體絕緣材料，包括塑料、橡膠、玻璃或石英。
3.根據權利要求1所述流體發電裝置，其特征是所述的電極包括但不限于銅、鐵、金、 銀等金屬電極或其它任意導電固體材料。
4.一種制備權利要求1所述流體發電裝置的方法，它包括如下步驟(一)準備絕緣基底，洗凈，氮氣吹干；(二)化學氣相沉積生長石墨烯以銅箔為基底，維持生長溫度950 1000°C，通入甲烷和氫氣，氣體流量為甲烷25 sccm，氫氣10 sccm，生長15分鐘后，關閉甲烷，在IOsccm氫氣氣流保護下快速冷卻到室溫，在銅箔上得到層數為1層或多層的石墨烯薄膜；(三)石墨烯轉移至基底上將覆蓋有石墨烯的銅片表面懸涂5%聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)的苯甲醚溶液，苯甲醚揮發后將銅片置于0. IMol/L氯化鐵溶液中浸泡至銅完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA層，用稀鹽酸和去離子水清洗后，將其轉移到基底上，結合牢固后用丙酮溶解去PMMA層，得到轉移到基底上的石墨烯薄膜層；(四)電極制備在石墨烯薄膜層兩端制作電極(3)和(4)后，引出導線，用絕緣硅膠封裝，即制得流體發電裝置。
5.根據權利要求4所述流體發電裝置的制備方法，其特征是步驟(二)所述的石墨烯薄膜是外延生長或化學組裝方法制備的單層或多層石墨烯薄膜。
6.根據權利要求1所述流體發電裝置，其特征是發電時使用的流體包括海水、湖水、 離子液體、鹽溶液等任意具有可電離性質的液體。
7.根據權利要求1所述流體發電裝置，其特征是發電時的運動狀態是流體液面的上下波動，或流體發電裝置在液體表面上下運動，且部分石墨烯露出液面。
8.根據權利要求1所述流體發電裝置，其特征是所述的流體發電裝置串聯或并聯可獲得更高的輸出電壓或電流。
9.根據權利要求1所述流體發電裝置，其特征是它可用作監測流體波動狀態的傳感ο
全文摘要
一種流體發電裝置，它是在絕緣基底(1)上結合一層石墨烯薄膜層(2)，在石墨烯薄膜層的兩端分別有電極(3)和電極(4)。本發明利用流體波動在石墨烯表面的充放電效應，可以穩定獲得5～50mV的輸出電壓。本發明裝置結構簡單，無轉動或傳動部件，原理上，通過多個發電單元的串聯和并聯可以有效提高發電裝置的輸出電壓和電流，可作為小型負載的有效輸出電源。此外，該流體發電裝置的電壓-波動速度特性可以用作流體波動強度的無源傳感裝置。本發明公開了其制法。
文檔編號H02N3/00GK102307024SQ201110167210
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月21日 優先權日2011年6月21日
發明者周建新, 李雪梅, 殷俊, 郭萬林, 陳亞清 申請人:南京航空航天大學