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连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜及其制备方法和应用技术

技术编号:20214993 阅读:46 留言:0更新日期:2019-01-28 16:21
本发明专利技术提出了连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜及其制备方法、纳米发电机。该连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜包括:包括层叠设置的第一亚层和第二亚层,其中,第二亚层由氧化石墨烯形成,且第一亚层由还原的氧化石墨烯形成。本发明专利技术所提出的多孔氧化石墨烯膜,由连续相、一体化的第一亚层和第二亚层形成,由还原的氧化石墨烯形成的第一亚层和由未还原的氧化石墨烯形成的第二亚层,沿着薄膜厚度方向呈现含氧官能团的分布差异,这种化学结构的异质分布能促使水合氢质子的定向迁移,从而产生电能,可输出媲美纽扣电池的电压,并且该多孔氧化石墨烯膜的机械强度高、发电能力强且具有良好的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及功能材料
,具体的,本专利技术涉及连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜及其制备方法和应用。更具体的,本专利技术涉及连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜及其制备方法、纳米发电机。
技术介绍
目前,石墨烯是由碳原子组成的具有蜂窝状结构的单原子层厚度的二维材料,具有超大的比表面积、超高的机械强度、优异的导电性和良好的透光性,而广泛应用于传感、能源、导热等领域。而氧化石墨烯是一种石墨烯的含氧衍生物,包含有丰富的含氧官能团,如羟基、羰基和羧基等,这些含氧官能团赋予了氧化石墨烯良好的溶解性,有利于其化学成分的调控和功能组装。氧化石墨烯可通过湿纺、抽滤和冻干的方式组装成纤维、薄膜和泡沫等结构,这也极大地拓展了石墨烯基材料的应用。现阶段的研究表明,氧化石墨烯中含氧官能团与水分子具有较强的相互作用,一旦水分子吸附到氧化石墨烯上,就会诱导其解离出水合氢质子,从而改变材料的电学特性,如离子电导。所以,多孔的氧化石墨烯泡沫对湿气具有极佳的响应能力。目前,这方面的研究还处于空白阶段。
技术实现思路
本专利技术是基于专利技术人的下列发现而完成的:本专利技术的专利技术人在研究过程中发现,如果在氧化石墨烯的结构基础上构造出材料的差异性(还原的氧化石墨烯与未还原的氧化石墨烯之间),就可得到异质的水合氢质子分布,如此,在扩散作用下水合氢质子会在材料内部沿着特定方向从高浓度向低浓度方向传导,而作为反离子的带负电的氧化石墨烯片则由于体积较大而无法迁移,且随着水合氢质子的迁移,会在外电路中形成电流并在材料两端形成电势差,从而对外产生电能。并且水合氢质子传输过程严重依赖于材料的介电特性和外电路的设计,根据异质材料两端的材料介电属性,选择匹配的金属电极,就可对整个体系中流动的载流子进行调控,从而增强产生的电能。有鉴于此,本专利技术的一个目的在于提出一种制备方法简便、快速响应湿度变化、连续相、一体化结构且非对称的多孔氧化石墨烯膜。在本专利技术的第一方面,本专利技术提出了一种连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜。根据本专利技术的实施例,所述多孔氧化石墨烯膜包括层叠设置的第一亚层和第二亚层,其中,所述第二亚层由氧化石墨烯形成,且所述第一亚层由还原的氧化石墨烯形成。专利技术人经过研究发现,本专利技术实施例的多孔氧化石墨烯膜,由连续相、一体化的第一亚层和第二亚层形成,由还原的氧化石墨烯形成的第一亚层和由未还原的氧化石墨烯形成的第二亚层,沿着薄膜厚度方向呈现含氧官能团的分布差异,这种异质分布能促使水合氢质子的定向迁移,从而产生电能,可输出媲美纽扣电池的电压,并且该多孔氧化石墨烯膜的机械强度高、发电能力强且具有良好的稳定性。另外,根据本专利技术上述实施例的多孔氧化石墨烯膜,还可以具有如下附加的技术特征:根据本专利技术的实施例,所述第一亚层的厚度为1~20微米,所述第二亚层的厚度为10~250微米。根据本专利技术的实施例,形成所述第一亚层的还原的氧化石墨烯的碳/氧元素原子比不小于3:1,且形成所述第二亚层的氧化石墨烯的碳/氧元素原子比不大于2:1。根据本专利技术的实施例,所述多孔氧化石墨烯膜的尺寸为0.1~50厘米。在本专利技术的第二方面,本专利技术提出了一种制备上述的连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜的方法。根据本专利技术的实施例,所述方法包括:(1)提供氧化石墨烯泡沫;(2)对所述氧化石墨烯泡沫进行激光还原处理,以获得所述连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜。专利技术人经过研究发现,采用本专利技术实施例的制备方法,将氧化石墨烯泡沫的表面激光还原,可获得机械性能高、发电能力强且稳定性好的连续相非对称多孔氧化石墨烯膜,并且,该制备方法简便、高效、原料成本低廉而具有大规模生产的潜力。本领域技术人员能够理解的是,前面针对连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜所描述的特征和优点,仍适用于该制备方法,在此不再赘述。另外,根据本专利技术上述实施例的制备方法,还可以具有如下附加的技术特征:根据本专利技术的实施例,步骤(1)包括:(1-1)对氧化石墨烯溶液进行冻干处理,以获得氧化石墨烯泡沫;(1-2)对所述氧化石墨烯泡沫进行垂直加压处理,以获得紧密的氧化石墨烯泡沫。根据本专利技术的实施例,所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的浓度为3~15mg/mL,所述冻干时间为24~72小时。根据本专利技术的实施例,所述垂直加压处理的压力为1~10MPa,且所述紧密的氧化石墨烯泡沫的厚度为10~250微米。根据本专利技术的实施例,所述激光还原处理包括:通过使用镂空尺寸在0.1~50厘米的掩膜,对所述紧密的氧化石墨烯泡沫的一个表面进行5~300分钟的所述激光还原处理。在本专利技术的第三方面,本专利技术提出了一种纳米发电机。根据本专利技术的实施例,所述纳米发电机包括至少一个亚结构,且所述亚结构包括层叠设置的正极、发电层和负极,其中,所述发电层由上述的多孔氧化石墨烯膜形成。专利技术人经过研究发现,本专利技术实施例的纳米发电机,通过将连续相非对称的多孔氧化石墨烯构建成三明治结构的亚结构,可使纳米发电机对湿气变化具有极佳的响应,从而产生较高的开路电压并具有良好的循环稳定性,并且,整个产电过程绿色环保无污染,且可循环使用,使纳米发电机展现出优异的发电能力。本领域技术人员能够理解的是,前面针对连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜所描述的特征和优点,仍适用于该纳米发电机,在此不再赘述。另外,根据本专利技术上述实施例的纳米发电机,还可以具有如下附加的技术特征:根据本专利技术的实施例,形成所述正极的材料包括金,且形成所述负极的材料包括银。根据本专利技术的实施例,所述纳米发电机包括多个亚结构,所述多个亚结构之间串联设置。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释,其中:图1是本专利技术一个实施例的连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜的截面结构示意图;图2是本专利技术一个实施例的制备多孔氧化石墨烯膜的方法流程示意图;图3是本专利技术另一个实施例的制备多孔氧化石墨烯膜的方法流程示意图;图4是本专利技术两个实施例的纳米发电机的结构示意图;图5是本专利技术一个实施例的氧化石墨烯泡沫的照片;图6是本专利技术一个实施例的连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜截面的照片;图7是本专利技术一个实施例的连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜截面的扫描电镜照片;图8是本专利技术一个实施例的多孔氧化石墨烯膜碳/氧元素原子比与厚度的关系曲线图;图9是本专利技术一个实施例的三明治结构的亚结构在90%湿度变化下产生电压的曲线图;图10是本专利技术一个实施例的三明治结构的亚结构在90%湿度变化下产生电流的曲线图。附图标记100多孔氧化石墨烯膜110第一亚层120第二亚层1纳米发电机11亚结构20正极30发电层40负极具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例,本
人员会理解,下面实施例旨在用于解释本专利技术,而不应视为对本专利技术的限制。除非特别说明,在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的,本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。在本专利技术的一个方面,本专利技术提出了一种连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜。根据本专利技术的实施例,参考图1,多孔氧化石墨烯膜100包括层叠设置的第一亚层110和第二亚层120,其中,第二亚层120由氧化石墨烯形成,且第一亚层110由还原的氧化本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜,其特征在于,包括层叠设置的第一亚层和第二亚层,其中,所述第二亚层由氧化石墨烯形成,且所述第一亚层由还原的氧化石墨烯形成。

【技术特征摘要】
1.一种连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜,其特征在于,包括层叠设置的第一亚层和第二亚层,其中,所述第二亚层由氧化石墨烯形成,且所述第一亚层由还原的氧化石墨烯形成。2.根据权利要求1所述的多孔氧化石墨烯膜,其特征在于,所述第一亚层的厚度为1~20微米,所述第二亚层的厚度为10~250微米。3.根据权利要求1所述的多孔氧化石墨烯膜,其特征在于,形成所述第一亚层的还原的氧化石墨烯的碳/氧元素原子比不小于3:1,且形成所述第二亚层的氧化石墨烯的碳/氧元素原子比不大于2:1。4.根据权利要求1所述的多孔氧化石墨烯膜,其特征在于,所述多孔氧化石墨烯膜的尺寸为0.1~50厘米。5.一种制备权利要求1~4中任一项所述的连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜的方法,其特征在于,包括:(1)提供氧化石墨烯泡沫;(2)对所述氧化石墨烯泡沫进行激光还原处理,以获得所述连续相非对称的多孔氧化石墨烯膜。6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤(1)包括:(1-1)对氧化石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员:曲良体黄亚鑫程虎虎
申请(专利权)人:清华大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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