石墨烯薄膜的扩散—机械能转化行为研究

发布时间：2020-05-24 01:14

【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。
【图文】：

示意图,氧化石墨,刮涂,浆料

的氧化石墨溶液超声分散 2 h 后，浓缩至一定比例，冷冻干燥粉末。称取一定质量的干燥氧化石墨烯粉末放入烧杯中，加入L 的浆料，随后搅拌 4 h，备用。烯膜的制备的聚四氟乙烯板表面用胶带粘出一定厚度的矩形区域，，将浆料慢匀速刮平。随后在室温下干燥 24 h，得到干燥的氧化石墨烯面小心揭下，在氮气环境下煅烧 2 h，处理温度为 300 ℃，升温后得到的膜即为石墨烯膜，标记为 rGO-300 Film。改变不同的记为 rGO-X Film，X 为煅烧温度。未被煅烧的氧化石墨膜标记在聚四氟乙烯板上粘出不同的厚度，分别涂覆并在氮气条件下00 ℃，升温速率为 2 ℃/min，将得到的石墨烯膜命名为 rGO-Y度，单位为μm。a b

石墨,实验装置,培养皿

哈尔滨工程大学硕士学位论文墨烯膜运动的测定墨烯膜转动的测定图 2.2 所示，将直径为 5 mm 的镍丝固定在 250 mL 的圆形培养皿中心，保持立状态，向水槽中倒入不同体积比的乙醇-水混合液。同时，将制得的石墨烯面积裁成不同的形状，随后用加热的直径为 8 mm 的镍丝于几何中心位置穿的石墨烯膜浸入测试溶液中保持 5 min。待石墨烯膜饱和吸附后，用镊子水平镍丝的正上方，垂直将镍丝从薄膜中心孔穿过，放置于培养皿液面上。转动视频记录，视频帧率为 50 帧/s。最后用软件对视频进行处理，计算薄膜旋转a
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.2

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