一种多层结构纳米发电机及其制备方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

(5)该发电机共计有5层构成，每一层的选择方法有多重，当多重选择方法随机组合，产生的纳米发电机虽然都属于多层结构纳米发电机领域，但由于制备工艺、生产条件等影响，不同的方法会产生出新的实验效果。

附图说明

以下提供参照附图对多层结构纳米发电机进行进一步地说明，其中：

图1为实施例1形成的多层结构纳米发电机剖物面层。

图2为实施例1多层结构纳米发电机的SEM图像。

图3为实施例1多层结构纳米发电机分别在在254nm、302nm、365nm光源照射条件下的电量输出图。

图4为实施例2多层结构纳米发电机在不同的力的压电情况下的电量输出图。

具体实施方式

实施例1

下面对本发明做详细说明，实施例是在发明技术方案的前提下进行的，本发明的保护范围不局限于该实例。

(1)选择高纯度厚度为890μm钛作为衬底，置于烧杯内，放入超声清洗机内，无水乙醇洗涤15分钟，然后，用超纯水继续清洗15分钟。

(2)将超高真空多功能溅射设备的内腔打磨干净，然后将溅射靶材氧化锌和溅射衬底钛片放置于腔内，溅射条件为：1)温度：150℃—300℃范围内，以300℃位最佳；2)压强：0.5Pa-1.5Pa范围内，以1Pa为最佳；3)功率：90W-150W范围内，以120W为例；4)气体通入量：氩气与氧气的通入比例保持在10:5，上下浮动在1.5-2.5之间为正常范围。5)溅射时间：2h-6h均可，其中以3h为例。

(3)在SEM下可看到纳米晶氧化锌层，说明氧化锌膜已经成功地溅射在钛片上，此时可进行下一步地实验操作。

(4)将100mg分子量为(203.19)n的壳聚糖溶解在5ml的1％的醋酸溶液中，加入50mg已还原的石墨粉末，放入超声器皿中超声20分钟使其分散均匀，获得粘稠的石墨片悬浮液。将氧化锌/钛电极固定在丝网印刷机上，置于100目丝网下进行丝网印刷，然后至烘烤灯之下，烘干即可。

(5)在SEM下可看到在氧化锌表面出现层状石墨片，表明石墨层已经成功地刷在了氧化锌表面，石墨层/氧化锌/钛电极制备成功，可以进行下一步地实验操作。

(6)将石英容器置于超声清洗器中清洗干净，把样品放入石英容器中，配制一定量的0.03g/L的四氯金酸溶液，倒入石英容器中直至没过样品为止。然后将其放置于污水处理器中，用波长为365nm紫外汞灯照射3h，对金离子还原，制备出金颗粒层。

(7)在SEM下可观察到清晰的金颗粒附着在上面，获得金/石墨片/氧化锌/钛多层电极。

(8)最后，在金颗粒表面在覆盖一层铜作为上电极，表明该纳米发电机制备成功。

实施例2

(1)选择高纯度厚度为200μm铜箔作为衬底，并剪成4cm×4cm规格大小，放置于烧杯内，在超声清洗机中，无水乙醇洗涤15分钟，然后，用超纯水继续清洗15分钟。

(2)将超高真空多功能溅射设备的内腔打磨干净，然后将溅射靶材氧化锌和溅射衬底铜箔放置于腔内，溅射选择条件为：1)温度：300℃；2)压强：1Pa；3)功率：150W；4)气体通入量：氩气通入量为10sccm，氧气的通入量为10sccm；5)溅射时间：6h。

(3)在SEM下可看到纳米晶氧化锌层，说明氧化锌膜已经成功地溅射在铜箔上，此时可继续执行下一步地实验操作。

(4)将氧化锌/铜电极放入到马弗炉内，温度控制为450℃，退火1小时。待样品冷却后取出，将100mg分子量为(203.19)n的壳聚糖溶解在5ml的1％的醋酸溶液中，加入50mg已还原的石墨粉末，放入超声器皿中超声20分钟使其分散均匀，获得粘稠的石墨片悬浮液。将钛片固定在丝网印刷机上，置于100目丝网下进行丝网印刷，然后至烘烤灯之下，烘干。

(5)在SEM下可看到在氧化锌表面出现层状石墨片，石墨层/氧化锌/铜柔性电极就制备成功了，可以进行下一步地实验操作。

(6)配置浓度为0.01mol/L氯金酸溶液，然后将石墨层/氧化锌/铜柔性电极浸入盛有氯金酸溶液的石英容器中，并将其放在波长为365nm紫外汞灯下，照射6小时，对金离子进行还原。将样品再放到马弗炉内，温度控制为450℃，加热1小时，这样就成功的在石墨表面生长了金颗粒。

(7)在SEM下可观察到清晰的金颗粒附着在上面，表明获得金/石墨片/氧化锌/铜多层膜制备成功成功。

(8)最后，在金颗粒表面在覆盖一层铜作为上电极，表明该纳米发电机制备成功。