基于生物质纳米纤维的湿气发电材料构筑及其性能研究
发布时间：2022-01-05 06:01
湿气发电,是近几年来新兴的研究领域。目前湿气发电主要利用碳纳米材料,由于其宏量制备难度较大、成本较高和复杂的器件及孔道结构等原因影响了其大规模应用。生物高分子材料一般具有储量大、可降解、可再生和生物相容好等优点,而且生物质高分子链上分布着丰富的极性基团,具有良好的空气吸湿效果和优异的离子传输能力,这有望模拟生物过程并用于湿气发电。因此,本文以纤维素纳米纤维和蚕丝纳米纤维两种生物质材料为主要研究基质进行实验研究。首先,研究了两种纳米纤维构筑而成的生物质纳米发电机在湿气发电方面的性能。通过简便的冷冻浇铸法,由具有相反电荷的蚕丝和纤维素纳米生物纤维分别制备并构筑成两种异质纳米离子气凝胶。当暴露于湿气中时,这些纳米原纤维可通过捕获水分子而水合,从而模拟带电的纳米通道进行离子传输,并且具有很好的吸湿性(>1g·g-1),在纤维表面可形成一层水膜,两种纤维表面基团解离而带不同种电荷。解离的自由离子荷电性质也相反,它们沿纤维表面水层相向扩散、中和,两层纤维之间会产生电压（电流）,除去湿气后纤维表面状态可恢复原状。这种生物基湿气发电器件具有简单、有效、可再生和可生物降解等优...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纤维素的分子结构
青岛大学硕士学位论文5纤维素是由10000-15000个单一的葡萄糖单元聚合而成的。现在广泛应用的是木材中的纤维素，通过衍生加工为纳米纤维材料。如图1.2[9]所示，显示了大小从毫米到纳米的木材衍生产品的图像。大多数生产这些材料的过程都始于木屑的制浆（图1.2a），以去除木质素并释放完整的纤维细胞（图1.2b）。在目前，最常见的工业制浆方法是牛皮纸制浆，其采用碱性热化学条件从木质组织中提取木质素以促进其纤维化，然后可以对木浆进行额外的化学和机械处理，以生产纤维素微原纤维（图1.2c）。纤维素纤维的受控水解可用于生产另一类纤维素纳米材料，称为纤维素纳米晶体（图1.2d）。大范围的氢键使得纤维素具有优良的机械性能，其理论杨氏模量高达250GPa。如表1.2所示，与其他生物材料相比纤维素性能优越，丰富的来源和高力学性能使得纤维素成为几千年人类文明发展的重要材料[3]表1.2其他高性能生物材料和纤维素力学性能对比[3]E（MPa）σf（MPa）εf纤维素150000180.024胶原蛋白纤维100050-1000.09蚕丝（家蚕）7600蜘蛛丝（鞭状腺丝、大壶状腺丝）1000011000.18木材（橡木）10000100淀粉样蛋白121011.50.0095壳聚糖/碳酸钙18000630.0038纤维素是具有高度有序的结构层次，分为结晶区和无定型区。天然纤维素是单斜晶体结构。纯纤维素在自然界中无法找到，棉花是纤维素含量最高的天然生物质材料。大多数含有纤维素的材料（如：木材、秸秆和禾草等），基本都是含有半纤维素、木质素和其他物质，不同种类的木材所含成分中纤维素约为40-55%、木质素15-35%和半纤维素25-40%[9]。图1.2自然界中木材衍生为纳米纤维材料[9]纳米纤维素来源于天然纤维素，是一种新型的高分子材料，具有抵抗形变能力高、比表面积大、高长
青岛大学硕士学位论文6能使纳米纤维素具有很广阔的应用前景[10]。纤维素纳米纤维平均直径在1~50nm之间，力学性能优越，强度是钢材的8倍。因此，纤维素纳米纤维用途广泛，涉及工业、农业、服务业以及军事、生物医药和科研等各个领域。按照材料的来源、制备和纤维的形态，纳米纤维素一般可分为纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶体、细菌合成纳米纤维和静电纺丝纳米纤维4类（图1.3[11]）。图1.3不同类别纳米纤维素SEM图片[11]1.1.2.2蚕丝和蚕丝纳米纤维蚕丝是由丝素蛋白(Fibroin)和丝胶蛋白(Sericin)两部分构成,丝素蛋白是蚕丝中主要的组成部分,约占重量的70%[12]。蚕丝蛋白种类繁多，应用最广泛的当属桑蚕丝（Bombyxmori），其具有独特的氨基序列和超分子结构。首先，蚕丝蛋白分子含有18种氨基酸，其中主要由甘氨酸（G，43%）、丝氨酸（S，12%）、丙氨酸（A，30%）和酪氨酸（Y，5%）四个氨基残基组成（图1.4）[13]，并以GAGAGS方式排列成结晶区[14,15]，其他氨基酸则主要存在于无定形区域。蚕丝蛋白由于其结构稳定，以及具有优异的生物兼容性、生物可降解性和良好的机械性能等优点已经广泛应用于功能性材料的制备[16]。蚕丝蛋白用途广泛，主要应用于生物材料（酶的固定化载体、生物传感器和组织工程支撑材料）以及生物医学材料（人工组织或器官、抗凝血剂、化妆品和药物控释材料）。如图1.5，天然蚕丝纤维“自上而下”地剥离出蚕丝纳米纤维是一种常
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米纤维素储能研究进展[J]. 卿彦,易佳楠,吴义强,吴清林,张振,李蕾. 林业科学. 2018(03)
[2]蚕丝蛋白的结构和功能[J]. 刘永成,邵正中,孙玉宇,于同隐. 高分子通报. 1998(03)
本文编号：3569874
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纤维素的分子结构
青岛大学硕士学位论文5纤维素是由10000-15000个单一的葡萄糖单元聚合而成的。现在广泛应用的是木材中的纤维素，通过衍生加工为纳米纤维材料。如图1.2[9]所示，显示了大小从毫米到纳米的木材衍生产品的图像。大多数生产这些材料的过程都始于木屑的制浆（图1.2a），以去除木质素并释放完整的纤维细胞（图1.2b）。在目前，最常见的工业制浆方法是牛皮纸制浆，其采用碱性热化学条件从木质组织中提取木质素以促进其纤维化，然后可以对木浆进行额外的化学和机械处理，以生产纤维素微原纤维（图1.2c）。纤维素纤维的受控水解可用于生产另一类纤维素纳米材料，称为纤维素纳米晶体（图1.2d）。大范围的氢键使得纤维素具有优良的机械性能，其理论杨氏模量高达250GPa。如表1.2所示，与其他生物材料相比纤维素性能优越，丰富的来源和高力学性能使得纤维素成为几千年人类文明发展的重要材料[3]表1.2其他高性能生物材料和纤维素力学性能对比[3]E（MPa）σf（MPa）εf纤维素150000180.024胶原蛋白纤维100050-1000.09蚕丝（家蚕）7600蜘蛛丝（鞭状腺丝、大壶状腺丝）1000011000.18木材（橡木）10000100淀粉样蛋白121011.50.0095壳聚糖/碳酸钙18000630.0038纤维素是具有高度有序的结构层次，分为结晶区和无定型区。天然纤维素是单斜晶体结构。纯纤维素在自然界中无法找到，棉花是纤维素含量最高的天然生物质材料。大多数含有纤维素的材料（如：木材、秸秆和禾草等），基本都是含有半纤维素、木质素和其他物质，不同种类的木材所含成分中纤维素约为40-55%、木质素15-35%和半纤维素25-40%[9]。图1.2自然界中木材衍生为纳米纤维材料[9]纳米纤维素来源于天然纤维素，是一种新型的高分子材料，具有抵抗形变能力高、比表面积大、高长
青岛大学硕士学位论文6能使纳米纤维素具有很广阔的应用前景[10]。纤维素纳米纤维平均直径在1~50nm之间，力学性能优越，强度是钢材的8倍。因此，纤维素纳米纤维用途广泛，涉及工业、农业、服务业以及军事、生物医药和科研等各个领域。按照材料的来源、制备和纤维的形态，纳米纤维素一般可分为纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶体、细菌合成纳米纤维和静电纺丝纳米纤维4类（图1.3[11]）。图1.3不同类别纳米纤维素SEM图片[11]1.1.2.2蚕丝和蚕丝纳米纤维蚕丝是由丝素蛋白(Fibroin)和丝胶蛋白(Sericin)两部分构成,丝素蛋白是蚕丝中主要的组成部分,约占重量的70%[12]。蚕丝蛋白种类繁多，应用最广泛的当属桑蚕丝（Bombyxmori），其具有独特的氨基序列和超分子结构。首先，蚕丝蛋白分子含有18种氨基酸，其中主要由甘氨酸（G，43%）、丝氨酸（S，12%）、丙氨酸（A，30%）和酪氨酸（Y，5%）四个氨基残基组成（图1.4）[13]，并以GAGAGS方式排列成结晶区[14,15]，其他氨基酸则主要存在于无定形区域。蚕丝蛋白由于其结构稳定，以及具有优异的生物兼容性、生物可降解性和良好的机械性能等优点已经广泛应用于功能性材料的制备[16]。蚕丝蛋白用途广泛，主要应用于生物材料（酶的固定化载体、生物传感器和组织工程支撑材料）以及生物医学材料（人工组织或器官、抗凝血剂、化妆品和药物控释材料）。如图1.5，天然蚕丝纤维“自上而下”地剥离出蚕丝纳米纤维是一种常
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米纤维素储能研究进展[J]. 卿彦,易佳楠,吴义强,吴清林,张振,李蕾. 林业科学. 2018(03)
[2]蚕丝蛋白的结构和功能[J]. 刘永成,邵正中,孙玉宇,于同隐. 高分子通报. 1998(03)
本文编号：3569874
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