石墨烯在运动液滴能量转换中的应用及能量收集和运动传感方法

石墨烯在运动液滴能量转换中的应用及能量收集和运动传感方法
【专利摘要】本发明提供了一种石墨烯在运动液滴能量转换和传感中的应用及能量收集和运动传感方法。当石墨烯表面液滴运动时，由于液滴内离子在石墨烯表面形成的双电层在液滴运动的前端和尾端的充放电作用，会在石墨烯内沿液滴运动方向的两端产生一个电压。该电压与液滴运动的速度成线性关系，极性取决于液滴运动方向。通过运动液滴在石墨烯两端产生的电压实现能量收集和液滴运动速度、方向和时间的传感。
【专利说明】石墨烯在运动液滴能量转换中的应用及能量收集和运动传感方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能量收集及转化领域，具体是一种石墨烯在运动液滴能量转换中的应用及能量收集和运动传感方法。
【背景技术】
[0002]可收集流水电能的能量转换器件和流动传感器在很多领域都有着重要的作用，t匕如收集能量、表征材料电化学性能以及实时的医学诊断。这些器件的工作机理大多依赖于流动电势，即当电解质通过窄洞或缝隙的时候在溶液两端会产生一个电势差的动电现象。但是这些应用只局限于一些特定的情况。自从2001年理论预测将碳纳米管置于流动的液体中时其内部会产生一电流开始，很多实验都展示了这一效应。但是，所报道的结果和机理存在着很大的分歧。
[0003]石墨烯是由正六边形碳原子环构成的单原子层结构，在具有自然界最薄结构的同时还有高的化学稳定性、高的机械强度和极为优异的电输运性能。其单原子层厚度和超高的载流子迁移率使得其对外部环境特别敏感，甚至能够识别单分子的吸附和脱附。但是如何利用石墨烯这一优异的性能来实现能量转换器件和传感器件还有待研究。

【发明内容】

[0004]本发明为了解决现有能量转换器件和传感器件的不足，公开了一种石墨烯在运动液滴能量转换中的应用及能量收集和运动传感方法，通过运动液滴在石墨烯两端产生的电压实现能量收集和液滴运动速度、方向和时间的传感。
[0005]本发明提供了一种石墨烯在运动液滴能量转换中的应用。
[0006]本发明还提供了一种石墨烯在运动液滴能量转换中的能量收集方法，包括以下步骤:
1)准备绝缘基底，清洗，然后烘干；
2)在基底上制备一层石墨烯薄膜层；
3)用疏水材料对石墨烯外边缘涂覆，限制水滴仅在石墨烯表面运动；
4)在石墨烯两端制备电极，并引出导线，两导线连接电负载。
[0007]其中，所述的绝缘基底为带有绝缘氧化层或绝缘介电层得金属或半导体，或是高分子柔性材料，或是不导电的无机材料。
[0008]所述的疏水材料为石蜡、硅胶、油脂或聚四氟乙烯。
[0009]所述的电极的制备方法为直接涂布导电胶或标准丝网印刷工艺或真空镀膜工艺。
[0010]本发明还提供了一种石墨烯在运动液滴能量转换中的运动传感方法，其特征在于包括以下步骤:
1)准备绝缘基底，清洗，然后烘干；
2)在基底上制备一层石墨烯薄膜层； 3)用疏水材料对石墨烯外边缘涂覆，限制水滴仅在石墨烯表面运动；
4)在石墨烯两端制备电极，并引出导线，两导线连接电压表；
5)将已知运动速度的液滴置于石墨烯表面，测得相对应的电压，制得运动速度与电压关系的标准曲线；
6)将未知运动速度的液滴置于石墨烯表面，测得相对应的电压，根据速度与电压关系的标准曲线推算出液滴的运动速度，根据电压的正负确定液滴的运动方向，根据电压的持续时间得到液滴的运动时间。
[0011]其中，所述的绝缘基底为带有绝缘氧化层或绝缘介电层得金属或半导体，或是高分子柔性材料，或是不导电的无机材料。
[0012]所述的疏水材料为石蜡、硅胶、油脂或聚四氟乙烯。
[0013]所述的电极的制备方法为直接涂布导电胶或标准丝网印刷工艺或真空镀膜工艺。
[0014]本发明有益效果在于:
1、本发明首次公开了一种石墨烯在运动液滴能量转换中的应用。
[0015]2、本发明通过运动液滴在石墨烯两端产生的电压实现能量收集和液滴运动速度、方向和时间的传感。制备方法简单，适合于表面贴装等大规模生产。
[0016]3、本发明无运动部件、工作可靠、直观。
[0017]4、由运动液滴激励电压信号，石墨烯器件部分可以无源工作。
【专利附图】

【附图说明】
[0018]图1为本发明使用的装置结构示意图。
[0019]图2为实施例1测量得到的液滴在石墨烯表面运动导致的电压；
图3为实施例2测量得到的多个液滴的运动速度-电压关系；
图4为实施例3测量得到的液滴运动时间-电压信号；
图5为实施例4测量得到的液滴运动速度-电压信号。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0021]本发明公开了一种石墨烯在运动液滴能量转换中的应用以及能量收集和运动传感方法，其使用的装置如图1所示，包括绝缘基底1，绝缘基底I上制备有一层石墨烯薄膜层2，石墨烯薄膜层2外边缘涂覆有疏水材料，石墨烯薄膜层2两端制备有电极3，并引出导线，两导线连接电压表4或负载。该装置可以水平放置、斜放或竖直放置。
[0022]本发明原理是，当石墨烯表面液滴运动时，由于液滴内离子在石墨烯表面形成的双电层在液滴运动的前端和尾端的充放电作用，会在石墨烯内沿液滴运动方向的两端产生一个电压。该电压大小与液滴运动的的速度成线性关系，极性取决于液滴运动的速度。
[0023]石墨烯在运动液滴能量转换中的能量收集方法，包括以下步骤:
1)准备绝缘基底，清洗，然后烘干；
2)在基底上制备一层石墨烯薄膜层；
3)用疏水材料对石墨烯外边缘涂覆，限制水滴仅在石墨烯表面运动；
4)在石墨烯两端制备电极，并引出导线，两导线连接电负载，可使负载运行或存储所产[0024]石墨烯在运动液滴能量转换中的运动传感方法，其特征在于包括以下步骤:
1)准备绝缘基底，清洗，然后烘干；
2)在基底上制备一层石墨烯薄膜层；
3)用疏水材料对石墨烯外边缘涂覆，限制水滴仅在石墨烯表面运动；
4)在石墨烯两端制备电极，并引出导线，两导线连接电压表；
5)将已知运动速度的液滴置于石墨烯表面，测得相对应的电压，制得运动速度与电压关系的标准曲线；
6)将未知运动速度的液滴置于石墨烯表面，测得相对应的电压，根据速度与电压关系的标准曲线推算出液滴的运动速度，根据电压的极性确定液滴的运动方向，根据电压的持续时间得到液滴的运动时间。
[0025]上述的绝缘的基底可以是带有绝缘氧化层或绝缘介电层的金属或半导体，如硅或锗；或是高分子柔性材料，如塑料或橡胶；或是不导电的无机材料，如玻璃、石英、氮化硼、氧化镁或云母。
[0026]上述的金属电极可以是金、银、铜、铬、钛、铝或钼，或者是其它高导电薄膜，如铟锡氧化物半导体透明导电膜(ITO )。
[0027]上述的石墨烯薄膜层制备方法，石墨烯层可以是通过大面积生长方法直接生长于绝缘基底(如二氧化硅基底)，也可以是通过其他大面积生长方法获得后转移到所需基底，可能使用的大面积生长方法如化学气相沉积(CVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、金属表面外延等。石墨烯层的面积大小依照应用需求的不同可以为几平方毫米到几平方厘米。
[0028]上述的制备电极的方法可以是直接涂布导电胶，也可以使用标准丝网印刷工艺，或离子溅射、电子束蒸发、热蒸镀或磁控溅射等真空镀膜工艺。
[0029]上述的疏水材料为石蜡，硅胶，油脂，聚四氟乙烯等。
[0030]上述的液滴种类可以是盐溶液、酸溶液、碱溶液等任意含离子的液体。液滴体积不限。
[0031]下面通过具体的实施例对本发明作进一步说明。下述实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0032]实施例1.1、准备聚乙烯基底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗基底各10分钟，然后烘干。
[0033]2、气相化学沉积石墨烯:以25微米厚铜箔为基底，维持生长温度1000°C，通入甲烧和氢气，气体流量为甲烧25sccm,氢气IOsccm,生长15分钟后，关闭甲烧，在IOsccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜上得到层数为1-2层的石墨烯材料。
[0034]3、石墨烯转移到聚乙烯基底:将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂PMMA溶液，溶剂挥发后将铜片置于0.6M过硫酸铵溶液中浸泡，2小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA层，将其转移到聚乙烯基底上，结合牢固后用去离子水多次清洗，然后以大量丙酮溶解PMMA，得到转移到聚乙烯基底上的石墨烯层结构(IOOmmX 5mm)。
[0035]4、在石墨烯长边两端涂布导电银胶，并引出导线，烘干固化。用石蜡对石墨烯外边缘进行涂覆。[0036]5、将石墨烯器件和水平面成70度斜放，两电极一端布置在高端，另一端在低端。
[0037]6、将石墨烯两端电极接电压表表头，将0.1M氯化钠溶液离装置中段高10厘米处滴落到石墨烯表面。测得的电压信号见图2，可以看到在石墨烯两端可以产生高达20毫伏以上的电压。
[0038]实施实例2
按照实施实例I的方法，但与实施实例I的不同之处在于
1、准备石英基底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗基底各10分钟，然后烘干。
[0039]2、气相化学沉积石墨烯:以25微米厚铜箔为基底，维持生长温度1000°C，通入甲烧和氢气，气体流量为甲烧40sccm,氢气IOsccm,生长15分钟后，关闭甲烧，在IOsccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜上得到层数为1-3层的石墨烯材料。
[0040]3、石墨烯转移到聚乙烯基底:将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂PMMA溶液，溶剂挥发后将铜片置于0.6M过硫酸铵溶液中浸泡，2小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA层，将其转移到聚乙烯基底上，结合牢固后用去离子水多次清洗，然后以大量丙酮溶解PMMA，得到转移到聚乙烯基底上的石墨烯层结构(IOOmmX 5mm)。
[0041]4、在石墨烯长边两端涂布导电银胶，并引出导线，烘干固化。用硅胶对石墨烯外边缘进行涂覆。
[0042]5、装置水平放置；
6、将石墨烯两端电极接电压表表头，将0.3M氯化钠溶液离装置中段高10厘米处滴落到石墨烯表面。分别测试I滴、2滴、3滴溶液运动时石墨烯两端的电压。控制液滴运动速度并同时测量石墨烯两端电压，得到的运动速度-电压关系见图3，可以看到电压信号和液滴的运动速度和液滴的数目都成正比。
[0043]实施实例3
1、准备带有300nm 二氧化硅绝缘层的硅片为基底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗基底各10分钟，然后烘干。
[0044]2、气相化学沉积石墨烯:以25微米厚铜箔为基底，维持生长温度1000°C，通入甲烧和氢气，气体流量为甲烧40sccm,氢气IOsccm,生长15分钟后，关闭甲烧，在IOsccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜上得到层数为1-3层的石墨烯材料。
[0045]3、石墨烯转移到聚乙烯基底:将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂PMMA溶液，溶剂挥发后将铜片置于0.6M过硫酸铵溶液中浸泡，2小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA层，将其转移到聚乙烯基底上，结合牢固后用去离子水多次清洗，然后以大量丙酮溶解PMMA，得到转移到聚乙烯基底上的石墨烯层结构(4mmX 50mm)。
[0046]4、在石墨烯长边两端采用真空蒸镀方法沉积金电极，并引出导线，烘干固化。用石蜡对石墨烯外边缘进行涂覆。
[0047]5、装置水平放置；
6、将石墨烯两端电极接电压表表头，将0.05M氨水溶液离装置中段高10厘米处滴落到石墨烯表面。液滴在3cm/s的速度下匀速运动，控制液滴运动时间并同时测量流致电压，可以看到电压信号呈方波形态，随着运动的开始而突然增加，随着运动的停止而突然归零，且电压极性在液滴向右运动时为正，向左运动时为负，见图4。
[0048]实施实例4 1、准备氧化铝基片为基底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗基底各10分钟，然后烘干。
[0049]2、气相化学沉积石墨烯:以25微米厚铜箔为基底，维持生长温度1000°C，通入甲烧和氢气，气体流量为甲烧40sccm,氢气IOsccm,生长15分钟后，关闭甲烧，在IOsccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜上得到层数为1-3层的石墨烯材料。
[0050]3、石墨烯转移到聚乙烯基底:将覆盖有石墨烯的铜片表面悬涂PMMA溶液，溶剂挥发后将铜片置于0.6M过硫酸铵溶液中浸泡，2小时后，铜完全溶解，得到漂浮于溶液上的石墨烯-PMMA层，将其转移到聚乙烯基底上，结合牢固后用去离子水多次清洗，然后以大量丙酮溶解PMMA，得到转移到聚乙烯基底上的石墨烯层结构(4mmX 50mm)。
[0051]4、在石墨烯长边两端采用丝网印刷方法制备银电极，并引出导线，烘干固化。用聚四氟乙烯对石墨烯外边缘进行涂覆。
[0052]5、装置水平放置；
6、将石墨烯两端电极接电压表表头，将IM氯化铜溶液离装置中段高10厘米处滴落到石墨烯表面。液滴为IM氯化铜溶液。控制液滴正线运动并同时测量流致电压，得到的运动速度-电压信号如图5所示，电压信号能很好反应液滴的运动速度的变化。
[0053]本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种石墨烯在运动液滴能量转换中的应用。
2.—种石墨烯在运动液滴能量转换中的能量收集方法，其特征在于包括以下步骤: 1)准备绝缘基底，清洗，然后烘干； 2)在基底上制备一层石墨烯薄膜层； 3)用疏水材料对石墨烯外边缘涂覆，限制水滴仅在石墨烯表面运动； 4)在石墨烯两端制备电极，并引出导线，两导线连接电负载。
3.根据权利要求2所述的石墨烯在运动液滴能量转换中的能量收集方法，其特征在于:所述的绝缘基底为带有绝缘氧化层或绝缘介电层得金属或半导体，或是高分子柔性材料，或是不导电的无机材料。
4.根据权利要求2所述的石墨烯在运动液滴能量转换中的能量收集方法，其特征在于:所述的疏水材料为石蜡、硅胶、油脂或聚四氟乙烯。
5.根据权利要求2所述的石墨烯在运动液滴能量转换中的能量收集方法，其特征在于:所述的电极的制备方法为直接涂布导电胶或标准丝网印刷工艺或真空镀膜工艺。
6.一种石墨烯涂层在运动液滴能量转换中的运动传感方法，其特征在于包括以下步骤: 1)准备绝缘基底，清洗，然后烘干； 2)在基底上制备一层石墨烯薄膜层； 3)用疏水材料对石墨烯外边缘涂覆，限制水滴仅在石墨烯表面运动； 4)在石墨烯两端制备电极，并引出导线，两导线连接电压表； 5)将已知运动速度的液滴置于石墨烯表面，测得相对应的电压，制得运动速度与电压关系的标准曲线； 6)将未知运动速度的液滴置于石墨烯表面，测得相对应的电压，根据速度与电压关系的标准曲线推算出液滴的运动速度，根据电压的极性确定液滴的运动方向，根据电压的持续时间得到液滴的运动时间。
7.根据权利要求6所述的石墨烯涂层在运动液滴能量转换中的运动传感方法，其特征在于:所述的绝缘基底为带有绝缘氧化层或绝缘介电层得金属或半导体，或是高分子柔性材料，或是不导电的无机材料。
8.根据权利要求6所述的石墨烯在运动液滴能量转换中的运动传感方法，其特征在于:所述的疏水材料为石蜡、硅胶、油脂或聚四氟乙烯。
9.根据权利要求6所述的石墨烯在运动液滴能量转换中的运动传感方法，其特征在于:所述的电极的制备方法为直接涂布导电胶或标准丝网印刷工艺或真空镀膜工艺。
【文档编号】H01L39/00GK103928533SQ201410139749
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】郭万林, 殷俊, 李雪梅 申请人:南京航空航天大学