有序微结构碳薄膜的制备及自驱动微流体发电研究.pdf

有序微结构碳薄膜的制备及自驱动微流体发电研究 有序微结构碳薄膜的制备及自驱动微流体发电研究 摘 要 随着社会的发展，能源对人们的生产生活越来越重要。科学技术的不断进步 使得人们可以通过多种方式从环境中获取能量，为解决能源危机提供了多种方 案。自然环境中水资源丰富，使得固体与液体相互作用的界面普遍存在。在很久 以前，人们就已经观察到固-液界面发生相互作用时会产生电信号，但由于这些 电信号比较微弱，因而很难得到应用。近年来，随着微纳米技术的迅猛发展，人 们陆续在碳纳米管、石墨烯等碳基材中发现新的固-液界面相互作用产生较强的 电效应，如：湿度发电、流体流动发电、液滴移动发电等，有望成为新的能源供 给方式。然而，这些新的发电方式往往需要外接驱动装置，或者需要高湿度、高 ， 的液体离子浓度差等特殊环境条件。因此如何才能实现发电的“无泵化” 提高 环境适应性仍然有待进一步研究。 研究表明，有序微纳米结构能够提供强大的毛细力，可以实现液体的自驱动。 本文首先在水稻叶有序平行沟槽结构与大树有序通孔结构的启发下，利用定向冰 模板法制备出仿生有序结构即平行沟槽结构与有序多孔石墨烯碳薄膜结构，有序 多孔结构的流阻低，毛细力大，能实现微流体的快速自驱动；然后将碳材料引入 其中实现了微流体自驱动发电，并进一步分析了微流体发电的原因；最后对输出 电压的影响因素进行了探讨分析，比如：多孔结构的影响、几何尺寸的影响以及 离子溶液浓度的影响等，以求得最佳的电压输出。本文的主要研究内容如下： （1）对比现有制备多孔结构的主要方法，分析各种制备方法的优缺点。从 力学角度分析冰模板法冷冻铸造的过程，阐述冷冻速度、体系浓度和温度对冷冻 铸造多孔结构的影响。通过试验探究有序多孔块材的制备、有序多孔薄膜的制备、 有序平行沟槽结构的制备。并通过扫描电镜对多孔结构进行表征。 （2）从仿生角度出发，设计仿水稻叶的平行沟槽结构，并通过定向冰模板 冷冻铸造法制备有序平行沟槽结构薄膜。有序沟槽微结构的毛细力可实现液体的 快速自驱动，为微流体发电的“无泵化”提供了条件。首先研究了有序平行沟槽 结构碳薄膜的输出电压，较无沟槽的平坦碳薄膜相比，有序结构薄膜具有更高的 输出电压。其次探究了沟槽的结构尺寸、薄膜的几何尺寸、不同电解质溶液浓度 I 浙江工业大学硕士学位论文 对输出电压的影响，以求得最佳的输出电压条件。最后通过串联不同的外接负载， 得到最大输出功率，多个薄膜串联可以得到更高电压输出。 3 （）通过定向冰模板冷冻铸造方法，用氧化石墨烯溶液制备仿木材定向多 孔结构，用热压、还原等实验方法制备有序多孔石墨烯薄膜。薄膜中的微纳米定 向通孔能够提供强大的毛细力，实现液体的自驱动。对比普通冷冻铸造的方法制 备出的无序多孔薄膜结构，定向多孔薄膜结构可以实现更高电压输出。通过串联 多个多孔薄膜可以实现更高电压的输出。利用有序多孔薄膜所具有的自驱动发电 特性，设计制备汗液发电手环，实验模拟人体在少量出汗时和大量出汗时的发电 性能，为微流体发电在可穿戴设备中的应用提供了新的思路。 综上所述，本文从仿生角度出发，通过快速、高效、环境友好的定向冰模板 法制备出有序结构，实现液体的快速自驱动；引入合适的材料体系，实现了微流 体自驱动发电。由于制备的有序多孔结构具有更大的固液接触面积与流阻小，- 结构稳定的特点，得到了较高的稳定电压。设计并制备汗液发电手环，以实现对 人体汗液能量的收集。本研究为微流体发电在可穿戴设备中的应用提供了新思 路。 关键词：微流体发电，冰模板法，有序结构，自驱动 II 有序微结构碳薄膜的制备及自驱动微流体发电研究 PREPARATION OF ORDERED MICROSTRUCTURED CARBON THIN FILMSAND SELF-DRIVEN MICROFLUIDICPOWER GENERATION