管状纳米发电机及其制备方法

本技术涉及纳米发电机设计，特别是涉及管状纳米发电机及其制备方法。

背景技术：

1、面对日渐严峻的能源短缺和环境污染问题，风能、太阳能、水能等清洁能源近年来被关注。摩擦纳米发电机由于体积小，重量轻，结构简单，能从环境中收集低频机械振动能量，从而受到广泛关注。与固-固摩擦纳米发电机相比，液-固摩擦纳米发电机能够有效减轻摩擦材料的表面磨损，无需考虑外部环境湿度的影响，且液体来源丰富（海水、河水、雨水等），具有更长的使用寿命和更低的制造成本。但是现有的液-固摩擦纳米发电机多为开放式结构，需要外界液体持续支持，而封闭式结构的液-固摩擦纳米发电机面临输出电流较小的问题。

2、现有的液-固摩擦纳米发电机从结构上分为开放式和封闭式。开放式结构输出电流较大，但是需要外界环境持续支持液体，而且固体摩擦材料表面容易受到外界污染而降低输出性能。封闭式结构虽然能够储存液体重复使用，但是输出电流明显小于开放式结构，输出电流有待提高。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对现有的液-固摩擦纳米发电机从结构上分为开放式和封闭式。开放式结构输出电流较大，但是需要外界环境持续支持液体，而且固体摩擦材料表面容易受到外界污染而降低输出性能。封闭式结构虽然能够储存液体重复使用，但是输出电流明显小于开放式结构，输出电流有待提高的问题，提供一种管状纳米发电机及其制备方法。

2、一种管状纳米发电机，所述管状纳米发电机包括：发电板、绝缘管、背部电极、绝缘板和导联组件；

3、所述绝缘管的两端分别与所述发电板和所述绝缘板粘接，且所述发电板和所述绝缘板分别覆盖所述绝缘管的两端的开口，以形成封闭式管状装置；

4、所述背部电极粘接在所述发电板背离所述绝缘管的一侧面；

5、所述封闭式管状装置内装有驱动液体；

6、所述导联组件穿设于所述封闭式管状装置，所述导联组件的一端与所述驱动液体连接，另一端与所述背部电极连接。

7、上述的管状纳米发电机，通过将导联组件背离背部电极的一端直接与驱动液体连接，从而可以取消其中一个背部电极。基于界面效应的双背部电极的形式，仅依靠发电板-液体表面之间的双电层动态变化，驱动液体内部无电流导通，产生的外部电路电流为微安级。相较于基于界面效应的双背部电极的形式，本发明基于体效应，依靠发电板-驱动液体以及导联组件-驱动液体之间的双电层动态变化，在驱动液体接触导联组件时，驱动液体内部电流导通，管状纳米发电机整体形成电流通路，产生的外部电路电流为毫安级，管状纳米发电机相较于同体系的开放式石墨烯发电机以及封闭式的纳米发电机，具有极强的经济优势和极为广阔的应用场景。同体系的石墨烯纳米发电机无法做到大面积制备涂层，并且无法保证良品率，双背部电极的纳米发电机，无法在驱动液体内部形成电流。而本技术中的管状纳米发电机由于材料适用性广，稳定性好，相较于易损坏的石墨烯，具有极高的应用价值，且具有较高的输出电流。

8、在一实施例中，所述导联组件包括导联线和远端电极，所述远端电极穿设于所述封闭式管状装置，所述远端电极的一端与所述驱动液体连接，另一端与所述导联线连接，所述导联线背离所述远端电极的一端与所述背部电极连接。

9、在一实施例中，所述发电板为氟化乙烯丙烯共聚物或聚四氟乙烯。

10、在一实施例中，氟化乙烯丙烯共聚物的所述发电板的厚度为0.01-10mm。

11、在一实施例中，所述驱动液体为纯水、离子液体、溶液、雨水、海水、乳浊液、悬浊液、液态金属、液态油、有机液体中的一种。

12、在一实施例中，所述驱动液体的体积为所述封闭式管状装置内部容积的0.1%-99.9%。

13、具体地，背部电极和导联线包括任何导电材料，优选为铜。

14、具体地，远端电极和绝缘发电板的距离大于0，小于绝缘管内部长度。

15、具体地，远端电极可以插入绝缘管内部，并朝向任何方向，只需满足能够与驱动液体接触即可。

16、具体地，远端电极插入绝缘管内部的深度大于0，小于等于绝缘管内部直径。

17、本技术一实施例还提供一种管状纳米发电机的制备方法，用于制备所述的管状纳米发电机，所述管状纳米发电机的制备方法包括以下步骤：

18、剪裁所述发电板；

19、清洗所述发电板，并对所述发电板进行表面处理；

20、将所述背部电极粘接在所述发电板背离所述绝缘管的一侧；

21、将所述绝缘管粘接在所述发电板和所述绝缘板之间，形成封闭式管状装置；

22、将所述导联组件穿设于所述封闭式管状装置，并所述导联组件的一端与所述驱动液体连接，另一端与所述背部电极连接；

23、将所述驱动液体填充至所述封闭式管状装置内。

24、在一实施例中，剪裁聚四氟乙烯的所述发电板，并对聚四氟乙烯的所述发电板进行超声清洗，使用摩擦充电对聚四氟乙烯的所述发电板进行充电处理。

25、在该实施例中，首先剪裁聚四氟乙烯以形成发电板，并对聚四氟乙烯进行超声清洗。随后使用摩擦充电对聚四氟乙烯的发电板进行充电处理。将超声清洗并表面处理后聚四氟乙烯与石英管粘接形成封闭式管状装置；在聚四氟乙烯的发电板背离绝缘管的一侧粘接背部电极；将远端电极穿设于封闭式管状装置，远端电极的一端与驱动液体连接，另一端与导联线连接，导联线背离远端电极的一端与背部电极连接；将驱动液体填充至封闭式管状装置内，形成管状纳米发电机。

26、在一实施例中，剪裁氟化乙烯丙烯共聚物的所述发电板，并对氟化乙烯丙烯共聚物进行超声清洗，使用离子枪对氟化乙烯丙烯共聚物的所述发电板进行充电处理。

27、在该实施例中，首先剪裁氟化乙烯丙烯共聚物以形成发电板，并对氟化乙烯丙烯共聚物进行超声清洗。随后使用离子枪对氟化乙烯丙烯共聚物的发电板进行充电处理。将超声清洗并表面处理后氟化乙烯丙烯共聚物与石英管粘接形成封闭式管状装置；在氟化乙烯丙烯共聚物的发电板背离绝缘管的一侧粘接背部电极；将远端电极穿设于封闭式管状装置，远端电极的一端与驱动液体连接，另一端与导联线连接，导联线背离远端电极的一端与背部电极连接；将驱动液体填充至封闭式管状装置内，形成管状纳米发电机。

28、在一实施例中，所述表面处理为不处理、摩擦充电、离子枪充电、静电驻极、表面刻蚀微纳结构、表面化学修饰中的一种。

29、通过上述的管状纳米发电机的制备方法制备的管状纳米发电机，通过将导联组件背离背部电极的一端直接与驱动液体连接，从而可以取消其中一个背部电极。基于界面效应的双背部电极的形式，仅依靠发电板-液体表面之间的双电层动态变化，驱动液体内部无电流导通，产生的外部电路电流为微安级。相较于基于界面效应的双背部电极的形式，本发明基于体效应，依靠发电板-驱动液体以及导联组件-驱动液体之间的双电层动态变化，在驱动液体接触导联组件时，驱动液体内部电流导通，管状纳米发电机整体形成电流通路，产生的外部电路电流为毫安级，管状纳米发电机，相较于同体系的开放式石墨烯发电机以及封闭式的纳米发电机，具有极强的经济优势和极为广阔的应用场景。同体系的石墨烯纳米发电机无法做到大面积制备涂层，并且无法保证良品率，双背部电极的纳米发电机，无法在驱动液体内部形成电流。而本技术中的管状纳米发电机由于材料适用性广，稳定性好，相较于易损坏的石墨烯，具有极高的应用价值，且具有较高的输出电流。