專利名稱：一種實用的碳納米管液體發(fā)電器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用環(huán)境能源發(fā)電的裝置，特別涉及一種利用液體流動和超大比表面的碳納米管來產(chǎn)生很大且實用的電能輸出的發(fā)電器件。
背景技術(shù)：
碳納米管自1991年由日本電鏡專家Iijima首先發(fā)現(xiàn)(Iijima S. ,Nature, 1991,354(7)，56-58)。碳納米管獨特的熱、力、電等性能引起了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的極度重視，成為近些年來國際科學(xué)研究的熱點之一。碳納米管分為多壁碳納米管和單壁碳納米管，由六元環(huán)組成的石墨層狀卷曲結(jié)構(gòu)而形成的同心圓筒構(gòu)成。碳納米管可呈現(xiàn)金屬出金屬性和半導(dǎo)體性。碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能，輕度比鋼高100倍，比重只有鋼的1/6。碳納米管具有優(yōu)異的微波吸收特性，可用于電磁屏蔽或吸波材料等。碳納米管上碳原子的P電子形成 大范圍的離域TT鍵，由于共軛效應(yīng)顯著，碳納米管具有一些特殊的電學(xué)性質(zhì)。由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)碳納米管的管徑大于6nm時，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6nm時，碳納米管可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。計算表明直徑為0. 7nm的碳納米管具有超導(dǎo)性，盡管其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有I. 5 X 10-4K，但也預(yù)示著碳納米管在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。常用矢量Ch表示碳納米管上原子排列的方向,其中Ch = nal+ma2,記為(n,m)。al和a2分別表示兩個基矢。(n，m)與碳納米管的導(dǎo)電性能密切相關(guān)。對于一個給定(n，m)的納米管，如果有2n+m = 3q (q為整數(shù))，則這個方向上表現(xiàn)出金屬性，是良好的導(dǎo)體，否則表現(xiàn)為半導(dǎo)體。對于n = m的方向，碳納米管表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率通?？蛇_銅的I萬倍。目前碳納米管發(fā)電的報道是利用流動的極性液體拖動碳納米管管壁的電子云(電磁相互作用和聲子電子相互作用)而在流體上下游產(chǎn)生電勢差。當(dāng)極化液體流過碳納米管，會帶動側(cè)壁電子云的定向移動，從而產(chǎn)生電勢和電流。已報道的碳納米管發(fā)電電壓在毫伏特(mV)這一量級，電流在幾十納安(nA)級別，難以開發(fā)實際的應(yīng)用。為了克服目前碳納米管發(fā)電太小和不實用的缺點，我們利用了流動電勢發(fā)電原理，使碳納米管發(fā)電能力提高了 4-5個數(shù)量級，發(fā)電器件輸出電壓由幾毫伏提高到幾伏特。從而完全滿足了實用的要求。更為重要的是我們設(shè)計的碳納米管發(fā)電器件無需有意提供額外能源，因為能源來自于液體吸收環(huán)境熱量而蒸發(fā)引起的液體運動。

發(fā)明內(nèi)容
由于碳納米管表面電子云與水分子相互作用使水分子傾向于有序排列，因此水在碳納米管壁上的流動速度非常高，比常規(guī)流體力學(xué)計算的數(shù)值高4-5個數(shù)量級。當(dāng)這種流動的液體含有各種離子時，液體流動就能產(chǎn)生電流和電勢，即流動電勢。本發(fā)明利用水蒸發(fā)引起的液體流動來發(fā)電，因此不需要有意增加額外能源。而常規(guī)的流動電勢需要有液體壓力差來推動液體流動從而產(chǎn)生流動電勢。本發(fā)明的碳納米管發(fā)電器件電壓可達到幾十伏特甚至幾百伏特，所產(chǎn)生的電流達幾百微安，進一步優(yōu)化或者并連更多的發(fā)電器件，電流還可以提高很多。該發(fā)明專利產(chǎn)品實現(xiàn)了持續(xù)點亮普通發(fā)光二極管。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(I)實現(xiàn)了碳納米管輸出電壓達到幾十伏特，成功點亮普通發(fā)光二極管；(2)系統(tǒng)工作條件為常溫常壓；(3)所用液體簡單易得，原料價格低廉；⑷系統(tǒng)電能輸出時間長，工作穩(wěn)定； (5)系統(tǒng)所需裝置非常簡單；(6)通過添加液體流動相，可使發(fā)電機、發(fā)電器件循環(huán)利用； (7)系統(tǒng)改造靈活，易于做成電子設(shè)備以及大型能量輸出系統(tǒng)；(8)對環(huán)境無污染，綠色環(huán)保；(9)無需外界能源供給，只利用水的蒸發(fā)來發(fā)出能夠?qū)嵱玫碾姟?br>

圖I碳納米管液體發(fā)電器件原理2碳納米管液體發(fā)電器件示意圖
具體實施例方式本發(fā)明具體實施方法如下實施例單個發(fā)電器件的制備過程如下將直徑I厘米、長度4厘米左右的塑料管切割成半管結(jié)構(gòu)。200毫克的棉花卷成圓柱狀，填充在塑料半管一端，300毫克左右的未經(jīng)過處理的原始(單)碳納米管填充在塑料半管剩余的腔體中，形成單個發(fā)電機模型，棉花和碳納米管之間接觸良好。對于流動相液體的選擇，包括不同電荷數(shù)、電荷種類、離子強度的液體，本例選擇
0.I毫克每毫升氯化鈉水溶液。用膠頭滴管將氯化鈉水溶液滴加到棉花上,讓氯化鈉水溶液沿著半管腔體向碳納米管端擴散，在擴散過程中發(fā)電機輸出電壓，當(dāng)擴散平衡后，電壓保持某一個特定值不變。使用實驗室常用萬用表，可以監(jiān)測到發(fā)電機正負(fù)極開路電壓約為0. 5-1. 5伏特之間，短路電流為幾十到幾百微安之間。從而得到碳納米管電能輸出系統(tǒng)。對于串、并聯(lián)發(fā)電機組而言將未經(jīng)過處理或者經(jīng)過側(cè)壁基團接枝、內(nèi)部填充的碳納米管鋪在半管狀的塑料腔體內(nèi)。腔體的長度和直徑可以自行確定，本例選擇直徑I厘米、長度4厘米左右的塑料管切割成半管結(jié)構(gòu)。腔體的一端用棉花填充，棉花和碳納米管之間接觸良好。半管狀的塑料腔體兩端個接上銅導(dǎo)線，即組裝成了一個碳納米管發(fā)電機。多節(jié)發(fā)電機可以進行串聯(lián)也可以進行并聯(lián)。串聯(lián)可增大輸出電壓，本例串聯(lián)發(fā)電機個數(shù)為6個，用萬用表檢測開路電壓為3-5伏特之間，短路電流為幾十微安，將串聯(lián)發(fā)電機組正負(fù)極與一個常規(guī)發(fā)光二極管連接，成功點亮二極管12小時。通過并聯(lián)可以增大發(fā)電機組的輸出電流，本例并聯(lián)發(fā)電機個數(shù)為6個，輸出電壓為0. 5-0. 8伏特之間，短路電流在0. 5-5毫安之間。從而得到高能量密度輸出發(fā)電機、發(fā)電器件。本發(fā)明利用水蒸發(fā)引起的液體流動來發(fā)電，因此不需要有意增加額外能源。而常規(guī)的流動電勢需要有液體壓力差(外界能源)來推動液體流動從而產(chǎn)生流動電勢。本發(fā)明 的碳納米管發(fā)電器件電壓可達到幾十伏特甚至幾百伏特，所產(chǎn)生的電流達幾百微安，進一步優(yōu)化或者并連更多的發(fā)電器件，電流還可以提高很多。從而獲得非常實用的電源。以上介紹的僅僅是基于本發(fā)明的優(yōu)化的實施方案，并不能以此來限定本發(fā)明的范圍。對任何依據(jù)本發(fā)明所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.(單)多壁碳納米管液體驅(qū)動發(fā)電器件，其特征在于利用液體蒸發(fā)引起的液體流動在碳納米管壁上產(chǎn)生流動電勢來發(fā)出實用的電。
2.如權(quán)利要求I所述液體，其特征在于能揮發(fā)。
3.如權(quán)利要求I所述發(fā)電器件，其特征在于液體與碳納米管壁間能形成雙電層。
4.如權(quán)利要求I所述碳納米管，其特征為單壁或多壁碳納米管。
5.如權(quán)利要求I所述流動電勢，其特征于電解質(zhì)流動液相的流動是由液體蒸發(fā)引起的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新型使用環(huán)境能源發(fā)電的裝置，特別涉及一種利用液體流動和超大比表面的碳納米管來產(chǎn)生很大且實用的電能輸出的發(fā)電器件。為了克服目前碳納米管發(fā)電太小和不實用的缺點，我們利用了流動電勢發(fā)電原理，使碳納米管發(fā)電能力提高了4-5個數(shù)量級，發(fā)電器件輸出電壓由幾毫伏提高到幾十伏特。從而完全滿足了實用的要求。更為重要的是我們設(shè)計的碳納米管發(fā)電器件無需有意提供額外能源，因為能源來自于液體吸收環(huán)境熱量而蒸發(fā)引起的液體運動。本發(fā)明具有簡單，低成本，清潔等特點，無需外界能源供給，只利用水的蒸發(fā)來發(fā)出能夠?qū)嵱玫碾姟?br> 文檔編號H02K44/08GK102790509SQ20111012669
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者吳黎明, 梁勝德 申請人:中國人民大學(xué)