[发明专利]一种多层结构纳米发电机及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新能源器件领域中的纳米发电机，尤其是针对一种对力和光敏感的多层结构纳米发电机及其制备方法。

背景技术

本发明是基于规则氧化锌纳米晶的纳米发电机，是在纳米范围内将机械能或光能转化成电能，是世界上最小的发电机。氧化锌薄膜具有较大的光电耦合系数,较低的温度系数和较小介电常数，(002)取向的氧化锌具有较强的压电和压光效应，可以用作压电、压光装置；石墨具有优异的导电性能，将石墨以纳米片的形式镀在氧化锌薄膜表面，增加接触面积，同时再把具有较强夺电子能力的金纳米颗粒附着在石墨纳米片上，这样氧化锌薄膜产生的电子可最大化的通过石墨层向电极流动，产生我们所需要的电能，进而实现无源供电。

针对(002)取向的氧化锌具有较强的压电和压光效应，本发明设计出了一种新型的纳米发电机，对压电和压光均可产生较强的电量。底电极的不同可产生不同的用途，非柔性基底发电机可应用于工业发电，电荷量大，可满足工业生产的部分需求；柔性基底的发电机可自行恢复形变，融合氧化锌对压电的敏感特性，可在身体上进行穿戴，将人体运动的机械能通过压力，巧妙转化为电能，同理，也可用来测试心跳，应用于医疗器械等多个用电领域，满足不同方面的电能需求。另一方面，氧化锌因对光敏感，不同频率的光照同样可产生所需要的电能。综合来看，可产生光和力的领域是广泛的，决定着该纳米发电机的应用力度是无可比拟的，加之该纳米发电机制备工艺简单，生产成本低，电荷产生量大，相比于其他纳米发电机具有明显的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层结构纳米发电机，该多层结构纳米发电机构成的五部分从下到上依次为：金属底电极层、氧化锌层、石墨纳米片层、金颗粒层和金属上电极层，

(1)以钛、铜或铝的箔或片作为金属底电极层；

(2)在衬底上沉积一层(002)取向氧化锌多晶膜作为压电层，即氧化锌层；

(3)将壳聚糖溶于醋酸溶液中，加入已还原的石墨粉末，成粘稠状石墨液体，在氧化锌薄膜上丝网印刷粘稠的丝网印刷墨水，静置，烘干，制成的石墨纳米片层；

(4)在石墨纳米片上修饰一层金纳米颗粒，即金颗粒层；

(5)在金纳米颗粒修饰的石墨纳米片上再覆盖一层金属作为金属上电极层。

本发明的另一目的在于提供一种多层结构纳米发电机的制备方法，构成的五部分从下到上依次为：金属底电极层、氧化锌层、石墨纳米片层、金颗粒层和金属上电极层，由以下步骤组成：

(1)以钛、铜或铝的箔或片作为金属底电极层；

(2)在衬底上沉积一层(002)取向氧化锌多晶膜作为压电层，制备成氧化锌层；

(3)将壳聚糖溶于醋酸溶液中，加入已还原的石墨粉末，成粘稠状石墨液体，在氧化锌薄膜上丝网印刷粘稠的丝网印刷墨水，静置，烘干，制得石墨纳米片层；

(4)在石墨纳米片上修饰一层金纳米颗粒，即金颗粒层；

(5)在金纳米颗粒修饰的石墨纳米片上再覆盖一层金属作为金属上电极层。

所述的氧化锌多晶膜的厚度为200nm-1μm，(002)取向，晶粒大小为25nm-300nm。

所述的壳聚糖与石墨粉末的掺入的质量比为2：1-2：2，根据加入的醋酸溶液的体积加入。

所述的制备石墨纳米层的醋酸溶液的质量分数为1％-10％。

所述的丝网印刷目数50目以上。

所述的制备金颗粒的方法可以使用电化学多电位阶跃法、循环伏安法、恒电位法、紫外光催化还原法等实验手段。

所述的制备金纳米颗粒多用到的四氯金酸溶液浓度为0.1g/L-0.01g/L。

所述的在石墨层上修饰的金颗粒的粒径为20nm-800nm。

在金颗粒上覆盖的一层金属可以为铜、钛、铝等金属。

上下金属层上分别连接导线，对其发电量进行测试。

本发明的有益效果：

(1)制备工艺简单，易于成型，根据不同物质的特性的巧妙组合，实现发电性能。

(2)发电量大，仅仅2cm×2cm的样品，一般情况下发电量可达到500PC的电量，最大可达700PC。

(3)制备石墨纳米片层所用的材料为壳聚糖，它生物相容性好，对人体无害，促进凝聚。

(4)应用领域广泛，针对压电和压光特性的敏感性，实用性较强，可在多个领域应用，若条件允许，压电和压光同时使用，电量可实现叠加。