本技术涉及纳米发电机技术领域,特别是一种结合PENG与TENG特性的生物质基纳米发电机及其制备方法。该技术通过精确调控PVDF-HFP与再生纤维素之间的链间氢键,实现高效能量转换。
背景技术
如今,随着科学研究的不断推进,智能手机、电子皮肤、柔性传感器和可穿戴电子设备等具有高灵敏度的智能电子设备越来越受到各个领域的关注。同时,在智能电子设备快速发展的推动下,如何为这些设备提供持续的电力仍然是一个亟待解决的问题。传统的供电设备具有功率密度低、寿命短的固有特性,不能完全满足这些电子设备的需求。因此,近几十年来,对具有自供电系统的电子器件的研究引起了人们的广泛关注。同时,由于传统化石能源的不断消耗,人们迫切的需要开发出新型能源,虽然风能、水电能和太阳能等新型能源已经得到了广泛应用,但是这些能源收集装置通常被应用于较大规模的能量收集,对于一些日常生活中的微小机械能,尚无法完全得以收集利用。因此,一种被称为纳米发电机的设备被开发出来,它可以有效地收集微弱机械能并将其转化为电能。这种新型能源收集方式可以显著缓解传统能源消耗严重的问题。
在众多类型的纳米发电机中,压电纳米发电机(Piezoelectric nanogenerator,PENG)以及摩擦电纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG)被认为是最有前途的两种。它们可以有效收集和转化广泛分布但未被利用的机械能,特别是来自人体运动的微机械能,如行走、手指弯曲、说话甚至皮肤变形,并通过压电效应以及摩擦电效应将其转化为电能进行能量收集。纳米发电机主要由具有压电效应的材料及摩擦电材料组装而成,例如压电陶瓷和柔性聚合物等;压电陶瓷包括锆钛酸铅(Lead zirconate titanate,PZT)和铌酸钾钠,柔性聚合物包括聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(Poly(vinylidene fluoride-co-vinyl chloride-co-vinylidene fluoride),PVDF-HFP)和聚酰胺(Polyamide,PA)。基于以上传统材料所制成的纳米发电机,虽然具有优异的电输出性能,但是存在环境不友好,以及生物相容性差,价格高,不可再生性等缺点,这也限制了它们在某些领域的应用。因此,开发性能优异、具有可再生性、丰富廉价的生物质能源收集材料是当前纳米发电机研究的重点方向。作为地球上储量最丰富的天然聚合物纤维素,由于绿色、可降解、机械性能好,近年来被广泛关注,已有一些科研成果使用天然棉作为基材,制备高性能压电薄膜。然而,仍有以下关键问题需要解决:例如,如何调节固相法制备KNN陶瓷时的烧结温度。如何增强基于纯纤维素所制备薄膜的电输出性能。同时由于其表面粗糙度以及材料电负性的影响,导致这种基于纤维素制备的薄膜只能用于收集压电效应所产生的电输出。
针对现有的纯纤维素薄膜只能提供单一的压电输出,且电输出性能较差的技术问题,急需探索设计一种新的纳米发电机,来进一步增强其电输出性能,使其成为多模式的纳米发电机。
实现思路