[发明专利]利用具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜进行机械能转换成为电能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜进行机械能转换成为电能的方法。

背景技术

近年来以石墨烯为代表的二维材料由于其具有优良的性能和广阔的应用前景，引起了人们的广泛关注。石墨烯作为一种典型的二维材料，是构筑具有层状结构材料的优秀原料。由于石墨烯具有优异的电学性能、热学性能以及机械性能，在能源、半导体、航空等特种材料领域具有独特的重要应用价值。目前层状结构材料的应用都集中在对其力学性能的应用方面（D.Li,R.Kaner,Science 2008,320,1170;K.Novoselov,V.Falko,L.Colombo,P.Gellert,M.Schwab,K.Kim,Nature 2012,490,192），而使用层状结构材料构筑纳米流体能源转换器件的方法尚未有见报道。传统的流体能源转换材料和器件，主要基于固体纳米孔道材料，其制备过程中很大程度上依赖于昂贵的科学装置，比如重离子加速器及透射电子显微镜等，制备方法的工艺复杂、成本高昂，大大限制了流体能源转换材料和器件的实际应用（C.Dekker,Nat.Nanotechnol.2007,2,209）。寻找简便有效，成本低廉，且适合大规模制备的方法来构筑能够用于流体能源转换的纳米材料，尤其是具有层状结构的纳米材料仍然是一大难点。

应用抽滤的方法制备的层状结构的石墨烯水凝胶薄膜，具有制备工艺简单有效、成本低廉，适合大规模制备等特点。所形成的石墨烯水凝胶薄膜具有高的水通量，并且带有表面电荷，是用来构筑纳米流体能源转换器件的理想材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜进行机械能转换成为电能的方法。

本发明的方法中涉及采用抽滤方法制备具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜，并可用此具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜做为隔膜，将流体产生的机械压力转换成为电能。

本发明的利用具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜进行机械能转换成为电能的方法：将具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜密封固定在一具有进液口和出液口的电解池中，且在具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜两边的电解池中分别装载有相同的电解质溶液（具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜作为隔膜，将两边的电解质溶液分开，并且具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜两边的电解池的容积可一样大或不一样大）；将两只金属电极分别置于具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜两边的电解质溶液中，且两只金属电极分别与外电路相连接（外电路可与用电器相连接）；将具有进液口和出液口的电解池的顶部密封，然后在进液口处施加机械压力，将具有进液口一侧的电解池中的电解质溶液通过具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜压入到另一侧具有出液口的电解池中（在这个过程中，具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜两侧的电解池保持密封，以保证电解质溶液不泄漏，电解质溶液只允许从出液口流出）；测量与两只金属电极相连接的外电路，在电解质溶液流过具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜的过程中，外电路有净电流流过（以净电流的形式被测量到，证明部分机械能可以被转化成为电能），从而实现将流体机械能转换成为电能。

所述的外电路有净电流流过，其净电流信号与所施加的机械压力信号同步，净电流信号可以是连续的直流信号，也可以是脉冲型的交变信号。

所述的外电路的净电流，可以通过灵敏电流计测得，一般在1皮安至100纳安。

所述的电解池的材质是采用绝缘材料，可以是有机玻璃、聚碳酸酯或聚四氟烯等中一种。

所述的金属电极可以使用贵金属电极，比如金、银或铂等，也可以是Ag/AgCl电极。

所述的施加机械压力可以是通过通入氮气流的方式形成，气体压强为1～8kPa；也可以通过注射器或机械泵（如蠕动泵）注入与电解池中所装载的电解质溶液相同的电解质溶液所产生的机械压力，使电解池中的电解质溶液流动；其中，注入的电解质溶液的流速为0.1～50毫升/分钟。

所述的电解质溶液的浓度范围为1微摩尔/升～1摩尔/升。

所述的电解质溶液是可溶性无机盐的水溶液。

所述的可溶性无机盐的水溶液中所含有的阳离子可以是Na、K、Li、Mg、Ca和H中的一种或几种；阴离子可以是Cl、Br、F和SO₄中的一种或几种。

所述的层状结构是由大量的石墨烯薄片堆叠而成。

所述的石墨烯薄片是由1～10层的碳原子单层构成。

所述的堆叠的石墨烯薄片之间含水，其总含水量为具有层状结构的石墨烯水凝胶薄膜重量的70～95%。