基于静电纺纳米纤维膜的摩擦型纳米发电机的研究

Triboelectric nanogenerators have recently been used to harvest mechanical energy from surrounding environment which is of great significance in the field of energy conversion. However, the traditionally used materials are dense polymer films and the fabrication of micro/nanostructures on the surfaces of triboelectric materials which is to enhance the friction effect and enable production of a high-output generator, are not only difficult and complicated, but are also extremely costly and easily-worn . Electrospinning provides a simple, low cost and versatile method for the generation of 1D nanostrucutures. It has many advantages of replacing the commonly used dense films with nanofiber membranes for designing the triboelectric nanogenerators, such as the wear resistance caused by the internal and external consistency of the electrospun membranes. This project mainly focused on the influence of physical factors (such as nanofiber diameter, orientation, surface morphology, porosity and thickness) polarity of polymer and electret effect (surface residual potential, residual time,etc.) on the performance of triboelectric nanogenerators. The relative theory and mechanism about electrospun membrane based triboelectric nanogerators need to be studied further.

摩擦纳米发电机可以将环境中的机械能转化为电能而受到关注。目前关于摩擦纳米发电机的研究所使用的材料都是致密的高分子薄膜，并且需要通过繁琐并且昂贵的后处理加工方法来制备具有微/纳米结构的粗糙表面，才能使其具有比较好的发电效率，且其表面易磨损。静电纺丝是一种简单、廉价的制备一维纳米结构的代表性技术，可以方便地构建微/纳米结构的粗糙表面，同时具备纤维结构所带来内外一致的结构的特性，使其具有长效性。本项目主要研究静电纺聚合物薄膜的表面形貌、电纺膜厚度等物理因素及聚合物得失电子能力和表面驻留电势的大小与极性，驻留时间等驻极效应对摩擦发电机输出电压和功率的影响。进而对提高静电纺纤维薄膜基摩擦纳米发电机工作机制的认识并形成相关理论。

摩擦纳米发电机（TENG）可用于收集和转化环境中频率低、规律性差的低品质机械能，具有转化效率高、能量密度大、结构可塑性强等优点，在微纳能源、物联网以及大数据等方面具有广泛的应用前景。本项目首先通过筛选比较聚合物的得失电子能力、吸湿性等，选择优化最佳摩擦材料，并从表面形貌、有机杂化材料改性、无机驻极体材料改性及多孔驻极改性等角度出发，探讨了纳米纤维微观形貌，驻极效应等对纳米纤维基摩擦纳米发电机输出电能的影响，在此基础上，制备了高性能TENG，并应用于驱动小型电子设备。研究表明，纳米纤维结构有利于提高TENG的输出，在聚偏氟乙烯（PVDF）中添加适宜氧化石墨烯（GO）、二氧化硅（SiO2）纳米颗粒驻极体进行改性,可以提高PVDF纳米纤维的电荷保持能力，进而提高TENG的输出；采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）对PVDF纳米纤维进行锚固，可以使得PVDF纳米纤维耐用性提高，对TENG电能输出也具有增强的作用；通过采用双组份同轴静电纺丝技术制备了多孔结构的PVDF纳米纤维，并进行模具冷压后处理，显著提高了PVDF的驻极效应，表面电荷密度得到大幅提高，得到的超高电能输出的单器件TENG，具有高达364 µC/m2 的电荷转移密度是所有接触式TENG在大气工作氛围下的最高测量值。此外，设计了具有封闭结构的气体增强TENG，能够实现在高湿度环境下工作。进一步地，制备了具有非对称摩擦面结构的摩擦单元将其平行穿插排列，实现了多器件TENG的高效整合，组装得到的TENG阵列具有较高的能量密度和转化效率，输出性能得到了增强，在大型化应用方面具有良好的应用前景。