石墨烯纳米纤维、其制备方法及其发电装置

技术领域

本发明涉及纳米能源技术领域，特别涉及一种石墨烯纳米纤维、其制备方法及其发电装置。

背景技术

科技的快速发展使得电子设备呈现微型化、集成化、可移动化和多功能化的发展趋势。笔记本电脑和手机等个人移动电子产品日益普及，微纳米系统在物联网、生物医疗、环境监测、可穿戴电子器件以及国防安全领域得到广泛应用，然而其供电问题成为了限制其发展的关键难题。传统化学蓄电池由于能量密度低、续航时间短、占据空间大、寿命时间短以及更换复杂等问题已经不能满足当前微纳米系统的供电需求。一种可能的解决方法是利用纳米发电技术来收集环境中的能量实现系统的自驱动运行。

石墨烯因具有优异的电学、力学、热学和光学等性能而引起人们广泛的关注。最近研究发现，当带有含氧官能团的石墨烯处于潮湿环境中时，会和环境中的水分子发生反应生成氢离子，此时如果石墨烯不同位置上的官能团含量存在差异，则生成的氢离子会由于梯度差而发生定向移动，从而产生电流。基于这种现象，各种不同类型的石墨烯纳米发电机被开发出来用于环境能量收集。但是，由于当前石墨烯纳米发电机大部分基于石墨烯片或石墨烯粉末，其柔性和适应性相对较差，难以满足柔性电子器件和微纳机电系统的应用，加上高质量的片层石墨烯很难大面积规模化生产，在实际应用中受到了极大的限制。因此，开发先进的石墨烯基能源材料及石墨烯纳米发电装置具有重要的意义。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米纤维，从而克服现有的制备石墨烯纳米发电机的材料柔韧性和适应性差，不适用于柔性电子器件和微纳机电系统领域的缺点。

本发明的另一个目的在于石墨烯纳米纤维的制备方法。

本发明的另一个目的在于石墨烯纳米纤维的发电装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种石墨烯纳米纤维，所述石墨烯纳米纤维内部具有含氧官能团，纤维中的含氧官能团呈梯度分布。

优选地，上述技术方案中，所述石墨烯纳米纤维主要由氧化石墨烯溶液、三维石墨烯和溶解剂制成。

一种所述石墨烯纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯粉末加入到水中形成分散液；优选水为去离子水；

(2)将三维石墨烯纳米片溶解到PVA溶液中，再与步骤(1)中的分散液进行混合得到前驱体溶液；

(3)将步骤(2)的前驱体溶液注射到无水乙醇中进行稳定，得到初始的纤维，再将纤维干燥；

(4)将步骤(3)的纤维放入HI水溶液中进行还原，然后清洗、干燥、冷却；

(5)将步骤(4)处理后的纤维置入潮湿密闭环境中，并在纤维的两端施加电压以制备形成内部官能团梯度，然后再经过短接放电及干燥，得到石墨烯纳米纤维。

优选地，上述技术方案中，步骤(1)分散液中氧化石墨烯的质量浓度为1％-10％。

优选地，上述技术方案中，步骤(1)制得分散液后再加入干燥氧化石墨烯片，然后加入氨水。在分散液中加干燥氧化石墨烯片来提高溶液中石墨烯浓度，氨水是为了提高氧化石墨烯溶解度。加入干燥氧化石墨烯片和氨水的量根据实际情况加入。加入干燥氧化石墨烯：氨水质量比例可以为5-10:3-5。

优选地，上述技术方案中，步骤(2)中PVA溶液的质量浓度为1％-3％，三维石墨烯纳米片和PVA溶液的质量比为0.1-0.3:100；

优选地，上述技术方案中，三维石墨烯纳米和PVA溶液的混合液与步骤(1)的分散液混合的质量比为1-5:100。。

优选地，上述技术方案中，步骤(3)中稳定的时间为1-10min，干燥的温度为60-80℃。

优选地，上述技术方案中，步骤(4)中HI溶液的质量浓度为58％，还原时间为5-24h，还原温度为70-90℃；清洗为用乙醇进行清洗，干燥为在真空干燥，干燥温度为120-160℃，干燥时间为3-10h，冷却时间为3-10h。

优选地，上述技术方案中，步骤(5)中施加的电压为3-10V，环境相对湿度为85-95％；短接放电时间为1-5h，干燥时间为1-5h。

一种石墨烯纳米纤维的发电装置，使用上述的石墨纳米纤维制备，所述发电装置包括：两个电极，用于收集电荷和输出电能；以及至少一根石墨烯纳米纤维，其设于所述两个电机之间，两端分别与其中一个所述电极贴合，用于吸收水分发电。

优选地，上述技术方案中，所述电极的材质为C/C、Pt/Pt、Au/Au、Ag/Ag、Cu/Cu或Al/Al中的一种。

本发明石墨烯纳米纤维其发电装置的工作原理如下：

本发明的石墨烯纳米纤维发电装置，利用石墨烯纳米纤维中的含氧官能团，环境中的水分子被吸收到纤维上之后与含氧官能团发生化学反应生成氢离子，随着反应的进行，使得纤维内部形成一定浓度的氢离子。由于纤维中存在的官能团呈梯度分布的，所以当水分子发生反应后，纤维中形成的离子浓度也是呈梯度分布，此时就形成了内部驱动力，使得离子从高浓度向低浓度扩散，从而产生电流。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明石墨烯纳米纤维的制备方法，将石墨烯纳米片或石墨烯粉末制备成石墨烯纳米纤维，可以满足柔性电子器件和微纳机电系统的灵活应用。

(2)本发明石墨烯纳米纤维发电装置通过吸收环境中的水分进行发电，其能量来源广泛，可以实现微纳米系统的自驱动运行，解决传统化学蓄电池供电存在的难题。

附图说明

图1是根据本发明的石墨烯纳米纤维的照片图和SEM图；

图2是根据本发明的石墨烯纳米纤维发电装置的结构示意图；

图3是根据本发明的石墨烯纳米纤维发电装置运行时输出电压随时间的变化曲线图。

主要附图标记说明：

1-上电极，2-石墨烯纳米纤维，3-下电极，4-外部负载，5-A处的方法图，6-B处的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

实施例1

如图1至图3所示，一种石墨烯纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将0.6g的氧化石墨烯粉末加入到9.4g的去离子水中形成质量浓度为6％的分散液，再加入0.6g的干燥氧化石墨烯片来提高分散液的浓度，同时加入0.5g氨水来提高氧化石墨烯的溶解度；

(2)将15mg的三维石墨烯纳米片溶解到10g质量浓度为1.6％的PVA溶液中得到混合液，取0.1g混合液和3.2g步骤(1)中的分散液进行混合得到前驱体溶液；

(3)将步骤(2)中得到的溶液放入注射器并注射到无水乙醇中进行5min的稳定，得到初始的石墨烯纳米纤维，之后让石墨烯纳米纤维在70℃的加热灯下进行干燥。

(4)将步骤(3)中得到的纤维放入浓度为58％的HI水溶液中进行12小时的还原，环境温度为80℃。然后用乙醇进行清洗，最后在140度真空环境中加热6小时，之后冷却6小时。

(5)将步骤(4)中得到的石墨烯纳米纤维取长度为1.4mm的样品放置于相对湿度为90％的密闭环境中，两端施加5V的电压2分钟以制备形成内部官能团梯度，再经过3小时的短接放电以及3小时干燥之后得到用于纳米发电的石墨烯纳米纤维。石墨烯纳米纤维如图1所示。

石墨烯纳米纤维发电装置的制备方法包括，将上述制得的石墨烯纳米纤维两端涂上导电银浆使得纤维与电极片进行连接，本实施例选用的电极片为Ag/Ag。最终得到石墨烯纳米纤维发电装置。

实施例2

一种石墨烯纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将0.3g的氧化石墨烯粉末加入到9.7g的去离子水中形成质量浓度为3％的分散液，再加入0.3g的干燥氧化石墨烯片来提高分散液的浓度，同时加入0.25g氨水来提高氧化石墨烯的溶解度；

(2)将15mg的三维石墨烯纳米片溶解到10g质量浓度为1％的PVA溶液中得到混合液，取0.062g混合液和3.2g步骤(1)中的分散液进行混合得到前驱体溶液；

(3)将步骤(2)中得到的溶液放入注射器并注射到无水乙醇中进行1min的稳定，得到初始的石墨烯纳米纤维，之后让石墨烯纳米纤维在80℃的加热灯下进行干燥。

(4)将步骤(3)中得到的纤维放入浓度为50％的HI水溶液中进行24小时的还原，环境温度为70℃。然后用乙醇进行清洗，最后在120℃真空环境中加热10小时，之后冷却3小时。

(5)将步骤(4)中得到的石墨烯纳米纤维取长度为1.6mm的样品放置于相对湿度为85％的密闭环境中，两端施加3V的电压5分钟以制备形成内部官能团梯度，再经过1小时的短接放电以及5小时干燥之后得到用于纳米发电的石墨烯纳米纤维。

石墨烯纳米纤维发电装置的制备方法包括，将上述制得的石墨烯纳米纤维两端涂上导电银浆使得纤维与电极片进行连接，本实施例选用的电极片为C/C。最终得到石墨烯纳米纤维发电装置。

实施例3

一种石墨烯纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将0.8g的氧化石墨烯粉末加入到9.2g的去离子水中形成质量浓度为8％的分散液，再加入0.8g的干燥氧化石墨烯片来提高分散液的浓度，同时加入0.7g氨水来提高氧化石墨烯的溶解度；

(2)将15mg的三维石墨烯纳米片溶解到10g质量浓度为2.5％的PVA溶液中得到混合液，取0.13g混合液和3.2g步骤(1)中的分散液进行混合得到前驱体溶液；

(3)将步骤(2)中得到的溶液放入注射器并注射到无水乙醇中进行10min的稳定，得到初始的石墨烯纳米纤维，之后让石墨烯纳米纤维在60℃的加热灯下进行干燥。

(4)将步骤(3)中得到的纤维放入浓度为65％的HI水溶液中进行5小时的还原，环境温度为90℃。然后用乙醇进行清洗，最后在160℃真空环境中加热3小时，之后冷却10小时。

(5)将步骤(4)中得到的石墨烯纳米纤维取长度为1.8mm的样品放置于相对湿度为95％的密闭环境中，两端施加10V的电压1分钟以制备形成内部官能团梯度，再经过5小时的短接放电以及1小时干燥之后得到用于纳米发电的石墨烯纳米纤维。

石墨烯纳米纤维发电装置的制备方法包括，将上述制得的石墨烯纳米纤维两端涂上导电银浆使得纤维与电极片进行连接，本实施例选用的电极片为Cu/Cu。最终得到石墨烯纳米纤维发电装置。

发电性能测试

对实施例1制备得到的石墨烯纳米纤维发电装置进行发电性能测试。

通过铜导线将银电极与外部电路连接，实验过程中采用数字万用表对装置的发电性能进行测量。具体如下：

参见图2，选取两个银电极，通过电银浆使其与石墨烯纳米纤维的两端紧密连接，银电极通过铜导线与外部电路连接实现电能的输出。

将装置放置于90％相对湿度的环境中，石墨烯纳米纤维吸收环境中的水分子后与其含氧官能团发生化学反应生成氢离子，随着反应的进行，使得纤维内部形成一定浓度的氢离子。由于纤维中存在的官能团呈梯度分布的，所以当水分子发生反应后，纤维中形成的离子浓度也是呈梯度分布，此时就形成了内部驱动力，使得离子从高浓度向低浓度扩散，从而产生电流。如图2所示，为发电装置放置在90％的相对湿度的环境中时，装置的输出电压的稳定值大约为34mV。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。