石墨烯薄膜的扩散-机械能转化行为研究

摘要

随着化石能源的枯竭和环境污染的日益加剧，以化石燃料内能向机械能的转换为代表的现有能量转换方式受到了极大的挑战，一种绿色环保且可持续的能量转换方式被迫切需要。与风能发电等能量转换方式不同，微流体器件无需依靠大型设备，且能够实现能源的高效利用。另一方面，石墨烯以其特殊的物理化学性质被认为是微流体器件的理想材料，受到了广泛的关注。因此，本文以氧化石墨为原料，利用刮膜-低温煅烧法制备了具有独特的选择浸润性（疏水/亲乙醇）的多孔石墨烯薄膜。利用吸附在石墨烯薄膜内的有机溶剂在水面上的单向扩散作用，将分子扩散能转换为机械动能，推动石墨烯薄膜作定轴旋转运动或直线运动。详细考察了影响石墨烯薄膜扩散-机械能转换效率的影响因素，并在此基础上了提出了石墨烯薄膜扩散-机械能转换的物理和数学模型。具体的研究工作包括下述三个方面:
　　分析了石墨烯膜自身物理性质及构型参数的影响。对具有不同乙醇/水浸润性的材料进行了对比研究发现，多孔材料具有的疏水亲乙醇的独特选择浸润性能是实现乙醇单向扩散的关键因素，同时对不同处理温度影响的研究进一步证明了石墨烯的疏水性能并不是制约石墨烯膜转动速度的控制因素。对石墨烯的形状，面积，长宽比以及厚度等构型参数的影响研究发现，石墨烯的运动受推动力矩及相反方向的阻力矩的同时作用，两者作用都随着力臂的增加而增加，且阻力的增加趋势更为剧烈。
　　详细分析了“燃料”溶剂及外部扩散介质的影响。研究发现，“燃料”溶剂及外部扩散介质的选择在满足石墨烯膜选择性浸润的基础上，必须具有相溶性才能使石墨烯膜运动，实现扩散能-机械能的转化。在此基础上，石墨烯膜内、外部“燃料”溶剂的浓度差及溶剂的密度均对石墨烯的运动造成了影响，随着浓度差的增大，以及“燃料”溶剂密度的减小，石墨烯的转速增加。在此基础上，通过对实验进一步的设计及实验装置的改进，实现了石墨烯膜的直线运动及持续转动。
　　在考察了不同因素对石墨烯膜扩散-机械能转换效率影响的基础上，证明了气体的参与使石墨烯膜内部的压力差值保持一定，使“燃料”溶剂能够持续扩散，并进一步建立了气-液-固三相共同作用的扩散-机械能转化物理模型。对石墨烯膜的转动方向进行了解释，得出了实际转动方向的确立是由于浓度分布不均匀致使膜两侧受力不平衡导致的。最后，引入齐奥尔科夫公式及双膜扩散理论推导建立了石墨烯膜运动的速度表达公式，并通过公式给出了实际实验中石墨烯膜转速与不同影响因素间的定性关系。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1能源问题

1．1．1能源危机现状

1．1．2能源问题解决方向

1．2新型产能方式

1．2．1光能

1．2．2风能

1．2．3地热能

1．2．4生物质能

1．2．5潮汐能与洋流发电

1．3微流体器件

1．3．1微流体器件简述

1．3．2碳材料在微流体器件中的应用

1．4扩散

1．4．1简述

1．4．2菲克(Fick)定律

1．4．3双膜理论

1．5石墨烯

1．5．1石墨烯的结构

1．5．2石墨烯的性质

1．5．3石墨烯的应用

1．6流体阻力

1．6．1摩擦阻力

1．6．2旋涡阻力

1．6．3兴波阻力

1．7本课题研究的意义与主要内容

1．7．1本课题研究的意义

1．7．2本课题研究的主要内容

第2章实验及测试方法

2．1实验试剂与仪器

2．2实验制备

2．2．1氧化石墨的制备

2．2．2氧化石墨浆料的配制

2．2．3石墨烯膜的制备

2．3．1石墨烯膜转动的测定

2．3．2直线运动的测定

2．3．3持续转动实验

2．4微观结构表征

2．4．1扫描电子显微镜测试(SEM)

2．4．6全自动物理吸附仪

2．4．6力学测试仪

2．5本章小结

第3章石墨烯膜特性对转换效率影响的研究

3．1引言

3．2石墨烯膜微观结构

3．2．1 X射线衍射分析

3．2．2扫描电子显微镜分析

3．2．3氮气吸脱附曲线

3．2．4 XPS分析

3．2．5热重分析

3．2．6拉曼光谱分析

3．2．7拉伸测试

3．3石墨烯物理特性及构型参数对扩散-机械能转换效率的影响

3．3．1石墨烯的界面性质对其扩散-机械能转换效率的影响

3．3．2石墨烯的构型参数对扩散-机械能转换效率的影响

3．4本章小结

第4章“燃料"溶剂及扩散介质特性对转换效率影响研究

4．1引言

4．2“燃料"溶剂浓度的影晌

4．3不同“燃料"溶剂的影响

4．4直线运动实验

4．5持续转动实验

4．6光能-机械能转换

4．7本章小结

第5章石墨烯膜转动模型的建立与讨论

5．2模型的建立

5．3转动方向的确定

5．4基元作用力

5．4．1类齐奥尔科夫斯基公式的提出

5．4．2石墨烯膜-水界面处的扩散

5．4．3石墨烯膜基元速度增量的计算

5．4．4公式实际意义的讨论

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢