一种高效碳基风力纳米发电机及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高效碳基风力纳米发电机及其制备方法，所述发电机包括基底(1)、第一电极(3)、第二电极(4)、内层多壁碳纳米管(5)、外层多壁碳纳米管(6)和风叶(7)；所述第一电极(3)置于基底(1)一侧，第二电极(4)置于基底(1)上与第一电极(3)相对一侧；内层多壁碳纳米管(5)的一端固定于第一电极(3)上，内层多壁碳纳米管(5)的另一端固定于第二电极(4)上；外层多壁碳纳米管(6)与内层多壁碳纳米管(5)同轴并套于内层多壁碳纳米管(5)上；风叶(7)固定于外层多壁碳纳米管(6)上。本发明专利技术中的碳基风力纳米发电机具有体积小、效率高、可靠性高的特点，从而展现了更为优越的性能和发展潜力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米发电机领域，涉及一种碳基纳米发电机及其制备方法，尤其涉及一种基于多壁碳纳米管的高效风力纳米发电机及其制备方法。
技术介绍
随着纳米科技的发展，各种纳米器件和系统不断涌出，如可植入式生物传感器、分子传感器、纳米机器人、可穿戴式纳米电子器件等。纳米器件和系统需要能量驱动才能正常工作，但是由于纳米器件和系统体积小，能量要求不高，能与之体积配套的微能量供电问题正面临着诸多挑战，如蓄电池供电是传统的供电方式，若电池体积相对较大，整个系统将因受到电池体积和重量的影响而难以发挥其微型化的优势，甚至失去实用化意义。因此，研制出能适应微纳米器件和系统需要的纳米发电装置，已成为纳米科技领域亟待解决的问题。目前，在国内外的微型供电装置研究中，利用氧化锌纳米线、纳米压电陶瓷、高分子聚合物薄膜、碳纳米管、石墨烯等纳米材料和特种加工技术，设计无需传统电源即可正常工作的可持续自发供电的纳米发电机，将器件工作环境的能量转化为电能，以驱动纳器件和系统工作，实现供电自给，是解决上述问题的主要方法之一。与传统发供电方式相比，纳米发电机可将各种随机能量，如光、声、风、热、磁场、流体能以及人体活动的机械能等回收重利用以提高能源使用效率，具有体积小、重量轻、结构简单紧凑、安全无污染、无振动和噪声、使用寿命长及可靠性高等优点。专利CN103354429A公开了一种滑动摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机包括：第一摩擦层、所述第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件、第二摩擦层、所述第二摩擦层上方接触放置的第二导电元件，所述第一摩擦层的上表面与所述第二摩擦层的下表面相对放置；所述第一摩擦层的上表面和所述第二摩擦层的下表面在外力的作用下发生与接触面相切的相对滑动摩擦、同时接触面积发生变化，并通过所述第一导电元件和第二导电元件向外电路输出电信号。虽然其具有结构简单和轻巧便携等特点，但其供电效率较低。碳纳米管，是一种一维碳纳米材料。1991年，日本NEC的Iijima教授对石墨棒放电产生的阴极沉积物进行了透射电镜研究，从中发现了直径约为4～30nm的圆柱状产物，通过高分辨透射电镜观察，这些产物由多个碳原子六方点阵的圆柱同轴嵌套而成，即为多壁碳纳米管，其外径一般为几个至几十个纳米，内径0.5至几个纳米，长度为几个至几十个微米，甚至几个毫米。多壁碳纳米管的层数可以从两层到几十层不等，其层间距一般认为是0.34nm，略大于石墨的层间距(0.335nm)，而且层数越少其层间距越大，层与层之间的相互作用也比较弱。已有研究发现层与层之间为超润滑作用，因此可以很容易实现多壁碳纳米管的层间转动。在过去的研究工作当中，学者们普遍认为：包括碳纳米管、石墨、富勒烯等在内的碳基材料，由于其中碳原子本身只有sp电子，所以它们都是典型的抗磁性材料，这与含有的3d或4f电子铁磁性金属原子形成鲜明对比。然而，随着研究的不断深入人们已经在理论上论证出碳基材料具有铁磁性。理论学家根据理论计算结果，分析出碳材料存在铁磁性很可能是因为石墨存在点缺陷或线缺陷、sp2和sp3杂化、锯齿形石墨边缘的存在等等。早先，人们发现碳纳米管与金属基底的接触可以使碳纳米管磁化。在之后的研究中，人们进一步发现经酸溶液钝化的双壁碳纳米管本身就具有铁磁性。目前研究纳米材料磁性的实验手段包括磁力显微镜、超导量子干涉磁强计和X射线磁性圆二色吸收谱。经以上分析，碳纳米管同时具备边缘铁磁性和一维电子输运的特性，使得其不但可以作为磁体用以为纳米发电机提供变化的磁场，也可以作为导线负责传导电流。因此研究出一种基于碳纳米管的微型供电装置具有很大的应用价值。
技术实现思路
针对上述现有技术中现有纳米发电机需要借助机械外力且供电效率低等问题，本专利技术提供了一种基于单根多壁碳纳米管的碳基风力纳米发电机及其制备方法。所述首先沿碳纳米管径向打开多壁碳纳米管外面多层，使开口处提供垂直于内层多壁碳纳米管的磁场。通过转动外层开口的多壁碳纳米管，使内层多壁碳纳米管产生相对切割磁感线的运动，从而实现发电功能。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种碳基纳米发电机，所述发电机包括基底、第一电极、第二电极、内层多壁碳纳米管、外层多壁碳纳米管和风叶；其中，所述第一电极置于基底一侧，第二电极置于基底上与第一电极相对一侧；内层多壁碳纳米管的一端固定于第一电极上，内层多壁碳纳米管的另一端固定于第二电极上；外层多壁碳纳米管与内层多壁碳纳米管同轴并套于内层多壁碳纳米管上；风叶固定于外层多壁碳纳米管上。以上所述第一电极和第二电极作为发电机的正电极和负电极，所述内层多壁碳纳米管用于传导电流，外层多壁碳纳米管用于旋转并提供磁场，风叶在风力作用下能带动所述外层多壁碳纳米管绕所述内层多壁碳纳米管转动。内层多壁碳纳米管不断切割外层多壁碳纳米管开口处提供的磁力线，根据法拉第电磁感应定律，于是有电流在内层多壁碳纳米管中不断传导。所述外层多壁碳纳米管的长度小于内层多壁碳纳米管的长度，以便内层多壁碳纳米管可以固定于电极上。优选地，所述多壁碳纳米管的壁数≥2，例如2、3、4、5、6、7、8或以上。优选地，所述外层多壁碳纳米管的一侧有径向开口，以便提供磁力线。优选地，所述径向开口的深度为1～10nm，例如1nm、1.5nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、9.5nm或10nm等。。优选地，所述基底的表面具有绝缘层。优选地，所述基底的材料为非金属材料和/或非金属氧化物材料。优选地，所述基底的材料为Si和/或SiO2。优选地，所述绝缘层的材料为SiO2、Al2O3、聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：SiO2和Al2O3的组合，Al2O3和聚四氟乙烯的组合，聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷的组合，SiO2、Al2O3和聚四氟乙烯的组合，SiO2、Al2O3、聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷的组合等。优选地，所述第一电极和第二电极的材料为金属材料。优选地，所述金属材料为Cu、Al、Fe、Co、Ag、Pt、Au、Ti、Gr或Ni中任意一种或至少两种的组合；所述组合典型但非限制性实例有：Cu和Al的组合，Fe和Co的组合，Ag和Pt的组合，Au和Ti的组合，Gr和Ni的组合，Cu、Al和Fe的组合，Co、Ag和Pt的组合，Pt、Au、Ti和Gr的组合，Ag、Pt、Au、Ti、Gr和Ni的组合，Cu、Al、Fe、Co、Ag和Pt的组合，Co、Ag、Pt、Au、Ti、Gr和Ni的组合等。优选地，所述风叶由具有纳米尺寸厚度的金属材料组成。优选地，所述金属材料为Cu、Al、Fe、Co、Ag、Pt、Au、Ti、Gr或Ni中任意一种或至少两种的组合；所述组合典型但非限制性实例有：Cu和Al的组合，Fe和Co的组合，Ag和Pt的组合，Au和Ti的组合，Gr和Ni的组合，Cu、Al和Fe的组合，Co、Ag和Pt的组合，Pt、Au、Ti和Gr的组合，Ag、Pt、Au、Ti、Gr和Ni的组合，Cu、Al、Fe、Co、Ag和Pt的组合，Co、Ag、Pt、Au、Ti、Gr和Ni的组合等。优选地，所述风叶与外层多壁碳纳米管的开口处的每一层壁面连接。优选地，所述风叶不与基底相接触。以上所述碳基纳米发电机的制备方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳基纳米发电机，其特征在于，所述发电机包括基底(1)、第一电极(3)、第二电极(4)、内层多壁碳纳米管(5)、外层多壁碳纳米管(6)和风叶(7)；其中，所述第一电极(3)置于基底(1)一侧，第二电极(4)置于基底(1)上与第一电极(3)相对一侧；内层多壁碳纳米管(5)的一端固定于第一电极(3)上，内层多壁碳纳米管(5)的另一端固定于第二电极(4)上；外层多壁碳纳米管(6)与内层多壁碳纳米管(5)同轴并套于内层多壁碳纳米管(5)上；风叶(7)固定于外层多壁碳纳米管(6)上。

【技术特征摘要】
1.一种碳基纳米发电机，其特征在于，所述发电机包括基底(1)、第一电极(3)、第二电极(4)、内层多壁碳纳米管(5)、外层多壁碳纳米管(6)和风叶(7)；其中，所述第一电极(3)置于基底(1)一侧，第二电极(4)置于基底(1)上与第一电极(3)相对一侧；内层多壁碳纳米管(5)的一端固定于第一电极(3)上，内层多壁碳纳米管(5)的另一端固定于第二电极(4)上；外层多壁碳纳米管(6)与内层多壁碳纳米管(5)同轴并套于内层多壁碳纳米管(5)上；风叶(7)固定于外层多壁碳纳米管(6)上。2.如权利要求1所述的碳基纳米发电机，其特征在于，所述外层多壁碳纳米管(6)的长度小于内层多壁碳纳米管(5)的长度；优选地，所述多壁碳纳米管的壁数≥2；优选地，所述外层多壁碳纳米管(6)的一侧有径向开口；优选地，所述径向开口的深度为1～10nm。3.如权利要求1或2所述的碳基纳米发电机，其特征在于，所述基底(1)的表面具有绝缘层(2)；优选地，所述基底(1)的材料为非金属材料和/或非金属氧化物材料；优选地，所述基底(1)的材料为Si和/或SiO2；优选地，所述绝缘层(2)的材料为SiO2、Al2O3、聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述第一电极(3)和第二电极(4)的材料为金属材料；优选地，所述金属材料为Cu、Al、Fe、Co、Ag、Pt、Au、Ti、Gr或Ni中任意一种或至少两种的组合。4.如权利要求1-3任一项所述的碳基纳米发电机，其特征在于，所述风叶
\t(7)由具有纳米尺寸厚度的金属材料组成；优选地，所述金属材料为Cu、Al、Fe、Co、Ag、Pt、Au、Ti、Gr或Ni中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述风叶(7)与外层多壁碳纳米管(6)的开口处的每一层壁面连接；优选地，所述风叶(7)不与基底(1)相接触。5.如权利要求1-4任一项所述的碳基纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)在基底(1)上进行多壁碳纳米管的筛选；(2)对经过筛选的多壁碳纳米管进行开口处理；(3)在经过开口处理的多壁碳纳米管上旋涂一层光刻胶；(4)在旋涂了一层光刻胶的多壁碳纳米管上形成风叶；(5)在形成了风叶的多壁碳纳米管两端进行刻蚀，然后将刻蚀...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文斌，孙连峰，王广龙，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11