有机-无机高电荷密度、耐磨损摩擦电复合材料的制备与性能

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摩擦电纳米发电机(TENG)可有效收集生活中分散的、无规则的各种机械能并将其转化为电能,可驱动微电子器件正常工作。打开了废弃机械能有效利用的大门,已成为当前全球科学家关注和研究的热点。目前,TENG在便携式电源和自供电传感等方面已取得重要的研究成果,但存在输出性能较低、寿命短等问题。对于摩擦电材料而言,高分子类摩擦电材料存在介电常数低,且长时间的接触分离,摩擦层受损的问题,这是目前TENG走向实际应用的瓶颈之一。因此,针对目前摩擦电材料电荷密度低、耐磨性差等关键问题,本文开展以下三部分研究工作:(1)采用锂(Li)离子插层法制备出单层-多层混合的二硫化钼(MoS2)纳米片,以聚氯乙烯(PVC)为基体,采用旋涂法制备MoS2/PVC摩擦电复合膜,作负摩擦电材料。以尼龙(PA)膜为正摩擦电材料构建收集风能的TENG。研究不同风速和MoS2掺杂浓度对TENG的输出电性能影响,在风速为17.7 m/s时,当MoS2掺杂浓度为2.5 wt%时,基于MoS2/PVC复合膜的TENG可以达到最佳性能电压、电流和功率可达398 V、40μA和1.23 m W,并且可以稳定连续输出15 h。可在15 s内对1000μF电容从0 V到3 V进行有效充电,且能驱动水温计54 s和点亮45个发光二极管(LED)。另外MoS2/PVC复合膜的摩擦系数为0.29,比纯PVC膜降低19.4%,有效提高TENG的使用寿命。(2)采用热氧化法制得具有核壳结构的碳化硅@二氧化硅(SiC@SiO2)颗粒,并将其掺杂到聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体中制备出SiC@SiO2/PDMS摩擦电复合材料,刮涂成膜获得负摩擦电层。采用自组装法制备具有超疏水性能的正摩擦电层,并分别以制备的正负摩擦电材料为匹配摩擦电材料构建接触分离式结构的TENG。当SiC@SiO2纳米晶须的质量分数为7 wt%时,SiC@SiO2/PDMS复合膜的介电常数(2.51)比纯PDMS膜高11.1%,最佳条件的TENG的输出电压和电流为200 V和30μA。在87 s内将10μF的电容器充电至3 V后,可驱动电子表工作14 s,体现了TENG的实际应用价值。(3)以富含氨基和羟基的壳聚糖(CS)为基体,添加氧化锌(ZnO)颗粒制备ZnO/CS复合膜。以美人蕉叶为模板,仿生学法制备了具有微纳米结构表面的PVC膜,以制备出的ZnO/CS复合膜和复刻的PVC膜为匹配的正负摩擦电材料构建接触分离式TENG。文中对不同含量ZnO颗粒的ZnO/CS复合膜进行了分析,在添加ZnO含量为0.2 wt%时,TENG可达到开路电压和短路电流分别为55 V和6μA,在51 s内将容量为10μF电容器电压充至3 V,可点亮19个LEDs。此外显示出较明显的抗菌性能,比纯CS膜的抑菌性提高了8.3%,为后期抗菌性电子产品提供了更多的可能性。
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