专利摘要
本发明涉及一种磁控流体运动发电器件及其制备方法，该发电器件以聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯管为壳体，以含有四氧化三铁的悬浊液滴为流体，以磁铁作为流体的移动驱动源，制备时通过化学气相沉积法在铜丝表面生长层数可控的连续石墨烯薄膜，在其表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯后通过溶液刻蚀法除去铜丝基底，得到由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的中空石墨烯管；利用移液枪将一定体积的四氧化三铁悬浊液滴注入到石墨烯管中。与现有技术相比，本发明构建的发电器件由于四氧化三铁磁性液滴的引入，使该发电器件具有优异的可操控性，并能通过改变磁铁的移动方向改变输出电压的方向，且可多次循环重复使用。
权利要求
1.一种磁控流体运动发电器件，其特征在于，该发电器件包括中空管状的壳体以及装填于所述壳体内的磁性液滴，所述壳体为石墨烯管，所述石墨烯管外表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯，所述磁性液滴为四氧化三铁悬浊液；
所述发电器件的制备方法包括以下步骤：
(1)通过化学气相沉积法在铜丝基底表面生长连续的石墨烯薄膜；
(2)在步骤(1)所得的石墨烯薄膜表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯溶液，待其干燥后，通过溶液刻蚀法除去铜丝基底，得到聚甲基丙烯酸甲酯支撑的中空石墨烯管壳体；
(3)通过移液枪将四氧化三铁悬浊液滴注入步骤(2)所得的石墨烯管壳体中，并用银胶在石墨烯管壳体两端引出铜线，即得到磁控流体运动发电器件；
所述发电器件通过磁铁在所述石墨烯管外部的移动，驱动石墨烯管内部的磁性液滴移动，磁性液滴在石墨烯管内移动并与石墨烯管内表面摩擦，石墨烯管内表面上的电荷发生重排，产生电势差，实现发电。
2.根据权利要求1所述的一种磁控流体运动发电器件，其特征在于，所述石墨烯管通过化学气相沉积法在铜丝基底上生长石墨烯薄膜，表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯薄膜后，通过溶液刻蚀法除去铜丝基底得到，石墨烯薄膜层数为3～12层。
3.根据权利要求1所述的一种磁控流体运动发电器件，其特征在于，所述石墨烯管的直径为0.6～1.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种磁控流体运动发电器件，其特征在于，所述四氧化三铁悬浊液的浓度为0.5～1mol L
5.根据权利要求1所述的一种磁控流体运动发电器件，其特征在于，所述四氧化三铁悬浊液注入壳体的体积为2-10μL。
6.如权利要求1所述的一种磁控流体运动发电器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过化学气相沉积法在铜丝基底表面生长连续的石墨烯薄膜；
(2)在步骤(1)所得的石墨烯薄膜表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯溶液，待其干燥后，通过溶液刻蚀法除去铜丝基底，得到聚甲基丙烯酸甲酯支撑的中空石墨烯管壳体；
(3)通过移液枪将四氧化三铁悬浊液滴注入步骤(2)所得的石墨烯管壳体中，并用银胶在石墨烯管壳体两端引出铜线，即得到磁控流体运动发电器件。
7.根据权利要求6所述的一种磁控流体运动发电器件的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述化学气相沉积法生长石墨烯时，以氩气和氢气的混合气体为载气、以甲烷为碳源，其中，氩气和氢气的体积比为10：(1～4)，氩气和甲烷的体积比为20：(2～5)，反应温度为950～1050℃，生长时间为2～15min，铜丝基底的直径为0.6～1.5mm，所得石墨烯薄膜的层数为3～12层。
8.根据权利要求6所述的一种磁控流体运动发电器件的制备方法，其特征在于，所述的聚甲基丙烯酸甲酯溶液的溶剂为苯甲醚，所述聚甲基丙烯酸甲酯在苯甲醚中的质量浓度为5％～30％。
9.根据权利要求6所述的一种磁控流体运动发电器件的制备方法，其特征在于，所述铜丝基底的刻蚀液为氯化铁的盐酸水溶液，其中氯化铁与盐酸的摩尔比为(1～3)：3。
说明书
技术领域
本发明涉及能量收集技术领域，具体涉及一种磁控流体运动发电器件及其制备方法。
背景技术
随着环境危机和能源危机的日益加剧，发展新型清洁的能量转换器件引起人们的广泛关注，比如将太阳能转换为电能的太阳能电池、将机械能转换为电能的风力发电和水力发电等。近年来，人们发现当液滴在电极的表面移动时，液滴表面的正负电荷将会发生重排，液滴两端产生一定的电势差，从而产生电能。密度泛函理论计算表明，当液滴在固体界面上移动时，固-液界面上电荷的吸附与解吸可以产生连续的电信号。基于该原理，人们在不同的电极表面通过液滴的移动实现了机械能到电能的转换与收集，目前主要使用的电极材料包括碳材料、聚合物、生物材料、金属氧化物等，所产生的电压从几到几百毫伏不等。
与其它电极材料相比，碳纳米材料以其优异的导电性、柔性及较大的比表面积被广泛用作电极材料，主要包括碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯及多孔碳材料等，液滴在这些纳米碳基电极材料表面的移动能够产生稳定的电压。但是，该类型发电器件存在的问题有：1)所产生的电压较低，通常在几到几十毫伏；2)工作环境受限、感应电压难以控制；3)其平面状结构难以满足柔性、可穿戴电子领域的应用需求。因此，开发具有较高输出电压、较好可控性的便携摩擦发电器件具有重要应用价值和潜力。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有器件存在的缺陷，而提供一种磁控流体运动发电器件及其制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种磁控流体运动发电器件，该发电器件包括中空管状的壳体以及装填于所述壳体内的磁性液滴，所述壳体为石墨烯管，所述石墨烯管外表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯，所述磁性液滴为四氧化三铁悬浊液。制得的发电器件通过磁铁在壳体外部的移动驱动壳体内部的磁性液滴移动，液滴在石墨烯内表面移动使液滴表面和石墨烯内表面上的电荷发生重排，产生0.2±0.05V的电势差(电能)。
所述石墨烯管通过化学气相沉积法在铜丝基底上生长石墨烯薄膜，表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯薄膜后，通过溶液刻蚀法除去铜丝基底得到，石墨烯薄膜层数为3～12层。
所述石墨烯管的直径为0.6～1.5mm。
所述四氧化三铁悬浊液的浓度为0.5～1mol L
所述四氧化三铁悬浊液注入壳体的体积为2-10μL。
一种磁控流体运动发电器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过化学气相沉积法在铜丝基底表面生长连续的石墨烯薄膜；
(2)在步骤(1)所得的石墨烯薄膜表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯溶液，待其干燥后，通过溶液刻蚀法除去铜丝基底，得到聚甲基丙烯酸甲酯支撑的中空石墨烯管壳体；
(3)通过移液枪将四氧化三铁悬浊液滴注入步骤(2)所得的石墨烯管壳体中，并用银胶在石墨烯管壳体两端引出铜线，即得到磁控流体运动发电器件。
本发明通过化学气相沉积法在铜丝基底上生长了连续的、层数可控的石墨烯层，并通过聚甲基丙烯酸甲酯的包覆获得了可以自支撑的中空石墨烯管状壳体。该方法得到的石墨烯管具有较好的连续性、层数可控，且具有良好的导电性，可以有效促进液滴移动所产生电荷的传输；管状结构也增加了液滴与石墨烯表面的接触面积，产生的电压也比其他已报道的同类器件略高；同时，石墨烯管状壳体可以将磁性液滴完全包裹在管内，提高了器件的便携性，降低了对工作环境的要求。另外，由于液滴中磁性物质四氧化三铁的引入，液滴可在磁场的驱动下进行往返运动，可控性更好。
步骤(1)所述化学气相沉积法生长石墨烯时，以氩气和氢气的混合气体为载气、以甲烷为碳源，其中，氩气和氢气的体积比为10：(1～4)，氩气和甲烷的体积比为20：(2～5)，反应温度为950～1050℃，生长时间为2～15min，铜丝基底的直径为0.6～1.5mm，所得石墨烯薄膜的层数为3～12层。
所述的聚甲基丙烯酸甲酯溶液的溶剂为苯甲醚，所述聚甲基丙烯酸甲酯在苯甲醚中的质量浓度为5％～30％。
所述铜丝基底的刻蚀液为氯化铁的盐酸水溶液，其中氯化铁与盐酸的摩尔比为(1～3)：3。
本发明以自支撑的中空石墨烯管作为磁控流体运动发电器件的壳体，通过化学气相沉积法生长的层数可控的石墨烯薄膜具有良好的连续性，能有效促进液滴在移动过程中所产生电荷的传输，并且管状的壳体结构增加了液滴与石墨烯内表面的接触面积，因此该器件的感应电压也相应较高。此外，在流体中引入四氧化三铁磁性物质后，通过磁铁的诱导即可实现对器件良好的控制，并可以在磁场的外部驱动下实现多次循环使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果和独创性主要体现在以下几个方面：
(1)本发明所采用的连续性较好的石墨烯层数可控的中空石墨烯管状壳体增加了石墨烯内表面与液滴的接触面积，并促进了流体移动所产生的电荷更快更有效的传输，使该器件具有略高于已报道的同类器件的感应电压(0.2±0.05V)。
(2)本发明所采用的流体引入了四氧化三铁磁性物质，成功利用磁铁的外部驱动实现了对该器件性能的良好可控性，并实现了多次重复使用。
(3)本发明采用流体包裹在壳体内部的模式组装磁控流体运动发电器件，使器件不再受工作环境的限制，提高了该器件的实用性。
附图说明
图1为铜丝基底表面的扫描电镜照片；
图2为生长石墨烯后的铜丝基底表面的扫描电镜照片；
图3为化学气相沉积法生长的石墨烯薄膜的透射电子显微镜照片；
图4为石墨烯薄膜、石墨烯管状壳体及聚甲基丙烯酸甲酯的拉曼光谱图；
图5为磁控流体运动发电器件的光学照片；
图6为磁控流体运动发电器件的工作原理示意图；
图7为磁性液滴中四氧化三铁的浓度不同时磁控流体运动发电器件的感应电压随时间变化曲线；
图8为改变磁铁移动方向时的磁控流体运动发电器件的感应电压随时间变化的曲线；
图9为随着磁铁多次重复诱导的磁控流体运动发电器件的感应电压随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种磁控流体运动发电器件及其制备的具体步骤为：
(1)通过化学气相沉积法生长石墨烯薄膜，具体为以氩气和氢气的混合气体为载气、以甲烷为碳源，在直径为1mm的铜丝基底上生长石墨烯薄膜；其中氩气和氢气的体积比为10:2，且氩气与甲烷的体积比为20:3，生长温度为1000℃；
(2)在生长了石墨烯薄膜的铜丝基底上依次涂覆质量浓度为5％、10％、20％、30％的聚甲基丙烯酸甲酯的苯甲醚溶液，干燥12h后，以浓度比为1:3的氯化铁的盐酸溶液刻蚀除去铜丝基底，用蒸馏水洗涤后得到中空石墨烯管；
(3)用移液枪移取5μL浓度为1mol L
石墨烯壳体中的石墨烯薄膜通过化学气相沉积法在铜丝基底上生长。图1为铜丝表面的扫描电镜照片，图2为石墨烯薄膜生长后的铜丝基底的扫描电镜照片，可以明显看出，铜丝表面的褶皱状连续石墨烯薄膜。图3为石墨烯的透射电子显微镜照片，从图中可以看出石墨烯薄膜的层数为3～12层，进一步证明了通过该方法可以可控生长具有较好连续性的石墨烯薄膜。图4所示的拉曼光谱图中D峰(1340cm
实施例2
一种磁控流体运动发电器件及其制备的具体步骤为：
(1)通过化学气相沉积法生长石墨烯薄膜，以氩气和氢气的混合气体为载气、以甲烷为碳源，在直径为0.64mm的铜丝基底上生长石墨烯薄膜；其中氩气和氢气的体积比为10:1.5，且氩气与甲烷的体积比为20:2.5，生长温度为960℃；
(2)在生长了石墨烯薄膜的铜丝基底上依次涂覆质量浓度为5％、10％、20％、30％的聚甲基丙烯酸甲酯的苯甲醚溶液，干燥12h后，以浓度比为1.5:3的氯化铁的盐酸溶液刻蚀除去铜丝基底，用蒸馏水洗涤后得到中空石墨烯管；
(3)用移液枪移取2μL浓度为1mol L
实施例3
一种磁控流体运动发电器件及其制备的具体步骤为：
(1)通过化学气相沉积法生长石墨烯薄膜，以氩气和氢气的混合气体为载气，以甲烷为碳源，在直径为1.5mm的铜丝基底上生长石墨烯薄膜；其中氩气和氢气的体积比为10:2.5，且氩气与甲烷的体积比为20:3.5，生长温度为1050℃；
(2)在生长了石墨烯薄膜的铜丝基底上依次涂覆质量浓度为5％、10％、20％、30％的聚甲基丙烯酸甲酯的苯甲醚溶液，干燥12h后，以浓度比为2:3的氯化铁的盐酸溶液刻蚀铜丝基底，用蒸馏水洗涤后得到石墨烯管壳体；
(3)用移液枪取10μL浓度为1mol L
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
一种磁控流体运动发电器件及其制备方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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