基于PTFE高分子薄膜的柔性摩擦纳米发电机的构建及其应用研究

发布时间：2020-04-06 10:51

【摘要】：传统化石能源的短缺已经引起当今社会的普遍关注,寻找和发展可持续、可再生的新能源是世界各国共同关心的问题。机械能作为一种可再生能源,广泛地存在于我们日常的生活环境中,因此将环境中的机械能转化为电能被认为是一种很有前途的可再生能源技术。摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电和静电感应原理将环境中的机械能有效地转化为电能的新型能量转化方法。在摩擦纳米发电机中,吸引电子能力不同的两种材料相互接触时会发生表面电荷转移,两个带电表面周期性的接触和分离可以驱动电子在外部电路中流动,从而产生电能。近年来,摩擦纳米发电机在能量收集和自供电的个人电子器件等方面得到了快速发展,然而摩擦纳米发电机的输出性能指标还有待进一步地提升。本论文以聚四氟乙烯(Polytetrafiuoroethylene,PTFE)、Al箔、Cu箔等材料为基础,制备出了不同结构及不同工作模式的摩擦纳米发电机,并且对它们的输出性能及应用进行了研究。主要的研究及结果如下:(1)多孔PTFE薄膜的构筑及其在摩擦纳米发电机中的应用。以去离子水为软模板,采用简便的方法制备出了海绵状多孔结构的PTFE高分子薄膜,构建了一种基于多孔PTFE薄膜的柔性单电极摩擦纳米发电机。通过制备不同孔隙率的PTFE薄膜,研究了孔隙率对薄膜输出性能的影响。结果表明,去离子水的体积比为50%时,PTFE薄膜达到最佳孔隙率,且开路电压能够达到5.1 V。在相同的振荡条件下,多孔结构的PTFE薄膜能够提高摩擦纳米发电机的输出性能。所制作的摩擦纳米发电机能够从人体活动中收集机械能,且产生的电能可以瞬间驱动5个发光二极管。本研究工作为提升摩擦纳米发电机的输出性能和发展自供电的个人电子器件提供了重要的理论支撑和实验依据。(2)基于气流驱动的摩擦纳米发电机的构建及应用。开发了一种基于气流驱动的柔性摩擦纳米发电机,这种摩擦纳米发电机能够将人体呼吸的机械能转化为电输出信号并用于自供电的实时呼吸监测。摩擦纳米发电机的工作是基于气流驱动柔性纳米结构的PTFE薄膜在亚克力管中的振动。在人体不同呼吸状态的气流能量驱动下,这种摩擦纳米发电机可以产生相应的实时电信号。研究发现,在不需要任何外部电源的供电下,基于这种摩擦纳米发电机的呼吸监测系统可以提供一种定量测量人体呼吸行为的方法。在此摩擦纳米发电机的基础上,开发了一种智能无线呼吸监测警报系统。当人体呼吸停止5秒,该系统可以无线触发警报灯或拨打手机以提供及时的警报。本研究工作为开发自供电的实时呼吸监测设备提供了一种很有前途的解决方案。
【图文】：

原子力显微镜,针尖,纳米,发电机

图 1.1 基于原子力显微镜针尖和 ZnO nanowires 发电的装置示意图[5 年，摩擦纳米发电机（tribelectric nanogenerator，TENG）作转换装置首次问世。摩擦纳米发电机基于摩擦起电和静电感环境中的机械能并转化为电能。如图 1.2 所示，Fan 等人通过ton）薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthala，并在它们的背表面镀 Au 作为电极，通过外部负载连接两个了一个摩擦纳米发电机[7]。当外力驱使装置发生机械弯曲时，接触面会发生相对滑动并产生摩擦现象，使二者的接触面带。由于静电感应原理，二者相对应的Au电极上会分别感应出异在外部电路中流动从而产生输出电流。当去除外力时，两种原来的形状使得摩擦电荷发生中和，电子会反向流动并产生在外力周期性的作用下，该装置可以产生持续的交流电信号

纳米,发电机

.1 基于原子力显微镜针尖和 ZnO nanowires 发电的装置示意，摩擦纳米发电机（tribelectric nanogenerator，TENG装置首次问世。摩擦纳米发电机基于摩擦起电和静中的机械能并转化为电能。如图 1.2 所示，Fan 等人薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terepht在它们的背表面镀 Au 作为电极，通过外部负载连接个摩擦纳米发电机[7]。当外力驱使装置发生机械弯曲面会发生相对滑动并产生摩擦现象，使二者的接触于静电感应原理，，二者相对应的Au电极上会分别感应部电路中流动从而产生输出电流。当去除外力时，的形状使得摩擦电荷发生中和，电子会反向流动并力周期性的作用下，该装置可以产生持续的交流电信
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM31;TB383.2

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