基于电荷泵和电场增强层的滑动式直流摩擦纳米发电机的性能提升

针对直流摩擦纳米发电机(DC-TENG)自身性能的局限性以及静电击穿的优化,提出了一种简便、通用的将电荷泵和电场增强层与DC-TENG耦合的策略(CE-DC-TENG),以提高DC-TENG的输出性能。交流摩擦纳米发电机(AC-TENG)被用作电荷泵,在DC-TENG中引入一层增强电场的导电层并与电荷泵连接,以积累电荷和增强静电击穿的电场。在研究过程中,设置了运动频率与竖直压力这两个参数,并通过改变参数的大小测试了对应的输出性能。结果表明在1.0 Hz的运动频率和25 N竖直压力下,CE-DC-TENG输出电流约为0.67μA,七个周期的转移电荷量约为0.95μC。这个结果分别约为基于静电击穿DC-TENG的5倍和2倍。并且,该器件的输出功率在负载电阻600 MΩ左右获得最大值,达到54μW。CE-DC-TENG的峰值输出功率约是DC-TENG的18倍。通过线性滑动模式CE-DC-TENG验证了该方法的有效性。

低频小振动能量收集的伞型摩擦纳米发电机

针对摩擦纳米发电机功率密度低、触发难、耐久度差的问题,该文设计一种伞型摩擦纳米发电机(umbrella-shape triboelectric nanogenerator,U-TENG)用于收集低频小振动能量。U-TENG以纸基作为连接机构,使上下伞叶在振动环境中进行有序开合,可以有效增加摩擦层数量、增大接触面积、改善接触面的贴合效果。另外,在摩擦电单元的设计上,通过叠放氟橡胶提高导电层上的感应电荷量,以优化电能输出性能。实验结果表明:当两个摩擦电单元并联运行时,UTENG的最大短路电流和开路电压分别能够达到125.9μA和804 V;在低频小幅振动下其瞬时功率密度最高达到509.3 W/m^(3);U-TENG可以收集环境中不同形式的振动能,以收集脉冲式振动的能力尤为突出,最多可驱动960个LED灯。该方法可为环境中低频振动能的高效捕获提供思路。

聚四氟乙烯掺杂对弹性基摩擦纳米发电机输出性能的影响

弹性摩擦纳米发电机可以将弹性形变的机械能转换为电能,但是弹性材料在发生弹性变形时由于其接触面积减小等原因,导致电输出性能降低,而弹性摩擦纳米发电机被认为是弹性能量收集与输出装置的理想模式。文中采用常规自然发泡的方法制备出弹性多孔聚氨酯摩擦电材料,并通过均匀和梯度掺杂的方式掺入介电材料聚四氟乙烯来提升电输出性能。聚醚多元醇和异氰酸酯比例为2:1且聚四氟乙烯掺杂含量为3%时,均匀掺杂弹性多孔摩擦纳米发电机的转移电荷量、开路电压和短路电流达到最大值52 nC,133.6 V和1.3μA;梯度比例为3:1时,在相同条件下,梯度掺杂弹性多孔摩擦纳米发电机的转移电荷量,开路电压和短路电流较均匀掺杂弹性多孔摩擦纳米发电机分别提升了32.65%,33.33%和9%。通过有限元电势分布模拟和相互作用电动力学理论推导,验证了梯度掺杂较均匀掺杂的摩擦纳米发电机电输出性能有较强的提升作用。为弹性多孔聚氨酯摩擦电材料的设计与制备提供了新思路。

基于聚二甲基硅氧烷弹性体的摩擦电纳米发电机的研究进展

随着全球气候变化与环境污染问题日益严峻,可再生能源技术越来越受到关注。摩擦电纳米发电机(TENGs)可以将机械能转为电能,是重要的能量收集技术之一。TENG由于成本低、效率高且输出功率大,被广泛用于微纳电源、自供电传感器、大规模海洋能量收集和高压直接电源等领域。TENG的输出性能主要取决于摩擦电材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于具有良好的柔韧性、生物相容性及负极性是优异的负摩擦电材料。文中综述了PDMS作为负摩擦电材料的优势,探讨了PDMS的物理改性或化学改性对TENG性能的影响,并深入分析了PDMS基TENG的应用及存在的问题。

PAN静电纺丝膜基摩擦纳米发电机的性能研究

环境能源的利用可以有效缓解资源匮乏和电池污染带来的负面影响,其中风能是最具有潜力的能源之一。为了有效的利用生活中的风力,设计了一种颤振式的摩擦纳米发电机,其工作模式为接触独立层模式。该发电机以静电纺丝膜聚丙烯腈和聚偏氟乙烯作为摩擦材料,研究了风速、器件间隙、颤振膜尺寸对频率和电输出信号的影响。结果表明:PAN静电纺丝膜用作摩擦正极层,具有极好的机械性能、耐高温稳定性。选用PVDF静电纺丝膜作为负摩擦电级,PVDF静电纺丝膜具有较高的耐磨性和极化程度。F-TENG的最大输出功率可以达到164.6μW,短路电流为9.69μA,开路电压约为112.3 V。风力驱动的F-TENG可以点亮最少150个商业用LED。通过和整流装置的连接可以为小功率用电器(计算器)进行供电。拓展了静电纺丝膜在摩擦纳米发电机上的应用。

面向高性能摩擦纳米发电机的电介质材料

摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为微纳电源或自取能传感器近年来在多领域表现出广阔的应用潜力.TENG的输出性能提升与作为摩擦起电层的电介质材料接触起电特性密切相关.本文首先介绍了TENG及其电介质摩擦起电层的相关基础理论和模型;其次,阐述了TENG电介质材料的选材、改性(表面改性、体改性)和结构设计策略,其中表面改性和体改性涉及表面粗糙度控制、官能团调控、电介质材料介电参数优化,在电介质的结构设计方面,重点介绍了电荷传输层、捕获层、阻挡层的原理及通过多层结构来提高TENG介电性能的典型方法;最后,强调了本领域发展面临的挑战和未来发展趋势,为面向高性能TENG的纳米电介质材料开发提供参考.

Ce介电增强WO_(3)在摩擦纳米发电机中的应用

采用水热法制备WO_(3)和Ce掺杂的WO_(3)(Ce:WO_(3))纳米颗粒,以Ce:WO_(3)填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备复合膜,研究Ce掺杂对WO_(3)颗粒及复合膜介电性能的影响,并以Ce:WO_(3)/PDMS复合膜作为摩擦纳米发电机(TENG)的摩擦层(Ce:WO_(3)/PDMS-TENG),研究Ce介电增强WO_(3)对TENG输出性能的影响。结果表明Ce掺杂对WO_(3)纳米颗粒的晶体结构和晶粒尺寸几乎没有影响,但能有效增强纳米WO_(3)的介电性能,介电常数由9.99提升至20.83。体积比为8%、掺杂比1.5%Ce:WO_(3)/PDMS-TENG,相比纯PDMS-TENG输出性能有显著提升,开路电压由114 V提升至279 V、短路电流由1.38μA提升至7.02μA、转移电荷由35.7nC提升至99.7nC。

通过案例教学促进研究生思维创新——以摩擦纳米发电机的诞生与应用为例

研究生在获得专业知识的同时,还需要结合文献阅读与实验现象,提出具有创新性的科研问题,并以此为基础设计出解决这些问题的实验方案,案例教学在此过程中可以发挥关键作用。本文以摩擦纳米发电机的诞生及应用为实例进行教学探讨,旨在剖析如何有效发现问题以及在这一过程中运用求异和迁移思维,以期激发研究生运用这些思维方式去挖掘新颖独特的科研问题,并进一步规划实验路径以验证和解答这些问题,从而为研究生完成学术论文奠定良好的基础。

用于人体运动姿态监测基于IL@PDMS复合膜的摩擦电纳米发电机

摩擦电纳米发电机(TENG)在自供电可穿戴领域得到了广泛关注,通过材料修饰及制备工艺优化可实现对人体运动姿态的监测。研制了一种可用于人体运动姿态监测的TENG。一方面基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)引入高介电性离子液体(IL),制备了IL@PDMS复合膜作为摩擦层,有效提高了摩擦电输出性能;另一方面,基于光刻微电子机械系统(MEMS)工艺及模板转移技术对IL@PDMS复合膜表面进行金字塔微结构修饰,实现摩擦效应的增强。与纯PDMS膜相比,IL的引入可使摩擦电输出电流及输出电压分别提高近4倍和6倍;另外,表面微结构的修饰也使得输出电流及输出电压分别提升近1.5倍和0.7倍。此外,当工作10 000个周期后,摩擦电输出性能仍保持不变。实验表明,当将IL@PDMS-TENG贴附在手指上时,实现了对人体运动姿态的有效监测。该研究为可穿戴人体运动传感器提供了新的技术路径及应用前景。

冲击式波浪能摩擦纳米发电机的设计与半物理实验

提出并设计了一种基于冲击式空气透平的波浪能摩擦纳米发电机,将其应用于振荡水柱波浪能转换装置中,能够将低频的海洋波浪能高效转换为电能。详细阐述了该发电机的结构与工作原理,搭建了两个实验平台,分别进行了电极参数优化实验和电学输出性能实验。实验结果表明,利用聚四氟乙烯作为电极的介电材料,其电学输出性能最优,聚四氟乙烯的厚度越大,电学性能输出越好。当发电机电极角度逐渐减小时,短路电流呈上升趋势。设计并制造了冲击式波浪能摩擦纳米发电机,进行了单风向半物理仿真实验。研究了不同风速下的电学输出性能,并进行了电容充电实验。通过电路设计驱动点亮了33盏LED。验证了冲击式波浪能摩擦纳米发电机的可靠性以及对小型传感器供能的潜力。

旋转结构摩擦纳米发电机的材料、结构及应用研究进展

综述了近年来旋转结构摩擦纳米发电机(R-TENG)在能量收集和传感领域的研究进展,介绍了不同结构R-TENG的基本工作原理、性能调控以及应用。详细分析了导电刷式结构、接触-分离式结构、独立层式结构以及恒流式结构的R-TENG,总结了各种结构R-TENG将振动、旋转、波浪、风和热源等能量高效转化为电能的方法和规律,比较了它们各自的结构设计、外部激励和电力输出。重点介绍了独立层结构中较为关键的减磨结构、悬浮结构以及模式切换。研究表明R-TENG具有将环境中的机械能转化为电能的应用潜力。最后,指出了R-TENG未能进行产业化的主要原因,同时展望了R-TENG在自供能传感、分布式能源等领域的未来发展方向。

高强度耐低温离子水凝胶的制备及在摩擦纳米发电机中的应用

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型可持续的能量收集设备,具有自供电、高输出、低成本、灵活性和轻量化等优点。然而,传统TENG的电极材料为金属薄膜、碳片和液态金属等,存在可拉伸性差、导电性差且在低温无法工作等缺点。文中将氯化锌(ZnCl_(2))、磺基甜菜碱(SBMA)、纳米纤维素(CNC)和柠檬酸(CA)引入聚丙烯酸(AA)基体中,制备了具有优异力学性能(拉伸强度2.16 MPa、断裂伸长率382%)、抗疲劳性、导电性能(9.3 mS/cm)、抗冻性能(-75℃)和保水性能的离子水凝胶材料。基于该离子水凝胶所制备的TENG具有良好的可拉伸性、抗冻性(-50℃)和稳定的输出电压(60 V),能够将人体运动产生的机械能转化为电能,并成功点亮了39个LED灯。因此该水凝胶基TENG在能量收集领域展示出巨大的发展潜力,具有广阔的应用前景。

基于CNTs/Fe_(3)O_(4)的可用于人体动作检测的摩擦纳米发电机

提出了一种基于碳纳米管(CNTs)和氧化铁(Fe_(3)O_(4))的摩擦纳米发电机(TENG),该TENG利用人体运动产生的摩擦能转化为电能,实现对人体动作的实时监测。首先,将Fe_(3)O_(4)纳米颗粒均匀分散在CNTs薄膜表面,形成了一种具有优异摩擦性能的复合材料;然后,制备了具有优异性能的可穿戴TENG。在实验中,将CNTs/Fe_(3)O_(4)复合材料作为摩擦电极,通过摩擦产生的电荷转移来驱动外部负载。实验结果表明:该TENG具有良好的输出性能和稳定性,在不同人体动作下,都能够有效地产生电能,并且具有良好的可重复性和耐久性。具体表现为:制造的TENG通过恒定的手摩擦或敲击产生148V的开路电压,工作频率为2.5Hz,接触压力为10N。因此,基于CNTs/Fe_(3)O_(4)的TENG具有广阔的应用前景,可用于人体健康监测、智能穿戴设备等领域。

高强再生纤维素纤维及其织物基摩擦纳米发电机的构筑

采用磷酸水溶液低温溶解木浆制备纺丝液,然后通过湿法纺丝得到性能优异的再生纤维素纤维,讨论了拉伸条件以及针孔直径对纤维机械性能的影响。对所得再生纤维素长丝进行加捻,并采用改进的原位聚合法将再生纤维素纤维制成高性能的导电纱线,作为经纱与尼龙(纬纱)复合,制备具有摩擦电效果的智能纺织品。所得再生纤维素纤维的强力高达(401.6±9.7)MPa,可进行加捻而不断裂。扫描电子显微镜(SEM)观察到再生纤维素纤维上吡咯涂层的生成,复合导电纱线可以点亮LED。将其与尼龙编织后构筑织物基摩擦纳米发电机,所得电压平均可达200 V,电流可达10μA。

基于固-液摩擦纳米发电机的海洋红外对射自供能发电胶囊

为了实现海上电子围栏中红外对射装置的自供能,同时降低供电成本和简化安装,设计了一种基于固-液摩擦纳米发电机的海洋红外对射自供能发电胶囊。对摩擦纳米发电机发电胶囊(PC-TENG)进行仿真电学分析与0.02~2.00 Hz工况下的实验,验证了PC-TENG可以将波浪能转换为电能。仿真模拟的最大电势为3.2 V,基于去离子水的PC-TENG最大短路电流和开路电压分别为27.38μA和2.84 V。为了提高装置的实用性和输出性能,采用更接近海水的摩尔分数4%的氯化钠溶液作为液体摩擦材料进行对比实验,最大短路电流和开路电压分别为21.62μA和2.08 V,验证了使用海水作为液体摩擦材料的可行性。最后,进行了耐久性测试,基于去离子水的PC-TENG短路电流和开路电压分别衰减了5.5%~6%和3%~4%,基于摩尔分数4%的氯化钠溶液的PC-TENG短路电流和开路电压均衰减了6%~7%,验证了发电的耐久性,为海上电子围栏供能提供了新的参考和思路。

摩擦纳米发电机在收集蓝色能源上的应用与研究

为了减少碳排放,保护生态环境,人们对海洋资源的开发和研究愈发深入,可再生能源收集技术是该领域研究的重点。其中,摩擦纳米发电机是利用接触电气化现象的最有前途的机械能收集器之一,其具有可利用的机械能资源丰富、材料可得性和可选性广、器件结构相对简单、加工成本低等诸多优势。最近10年,世界各地研究人员在这一领域的研究取得了巨大进展。本文综述了近年来应用于摩擦纳米发电机(TENG)上的各种新型摩擦电材料,介绍了摩擦电材料的选取规则,并总结了对摩擦电材料进行物理表面修饰、化学表面修饰和其他相关改性方式,最后归纳了用于收集蓝色能源的摩擦纳米发电机装置的仿生结构的设计研究进展,并对未来的应用和发展方向进行了展望。

基于静电纺PVDF/GO复合纳米纤维的摩擦纳米发电机的制备和输出性能

为提高基于聚偏氟乙烯(PVDF)的摩擦纳米发电机(TENG)的输出性能,采用静电纺丝法制备PVDF/GO(氧化石墨烯)复合纳米纤维,并组装成垂直接触-分离式TENG,探究GO质量分数对由PVDF/GO复合纳米纤维组成的TENG的输出性能的影响。通过COMSOL软件对TENG的输出性能进行模拟仿真,分析TENG在不同极板距离下的电势和电能密度的变化规律,为TENG的工作原理提供理论支撑。通过扫描电子显微镜对PVDF/GO复合纳米纤维的形貌结构进行表征,并采用数字示波器对基于PVDF/GO复合纳米纤维的TENG的输出性能进行表征。结果表明:当GO质量分数为0.06%时,基于PVDF/GO复合纳米纤维的TENG具有良好的输出效率,其输出电压约为350 V,短路电流约为28μA,在阻抗匹配条件下,最大峰值功率约为9.66 mW,其功率密度约为3.86 W/m2。基于PVDF/GO复合纳米纤维制备的TENG具有良好的输出性能,能为120个发光二极管(LED)供电,因此在能量收集领域具有潜在的应用前景。

基于摩擦纳米发电机的输电线路振动能量收集装置

在电力物联网蓬勃发展的当下,如何持续且长时间地供能成为了数以万计的传感器所要面临的技术难题。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为新崛起的高效供能技术,在传感器的自供电领域有着非常广阔的应用前景。文中基于摩擦电工作原理,利用多层弹性体结构的垂直接触分离TENG,设计出一种面向输电线路微风振动的多层弹性体TENG能量采集装置。通过振动能量采集器输出性能测试平台模拟输电线路微风振动状态,对不同频率和振幅下能量采集器的基本电气特性进行测试,结合电能管理策略,构建面向输电线路微风振动的振动能量采集自供电系统,实现宽频带振动能量的高效采集与转换,完成对商用传感器的供能。最后,通过输电线路振动缩比模型验证文中所设计振动能量采集装置的有效性与可行性。文中设计的振动能量采集自供电系统能够有效地将输电线路宽频振动能量转换为电能,具有结构简易、经济性好的特点,解决了电力物联网传感器不能持久绿色供电的问题。

废弃茶叶基摩擦纳米发电机开发及其应用

为提高摩擦纳米发电机的输出性能,选用茶叶加工过程中产生的副产品作为材料,系统研究其颗粒目数大小对茶材料基摩擦纳米发电机输出性能的影响.实验结果表明,摩擦纳米发电机的电输出性能随着茶粉颗粒目数提高而提高,当茶粉目数为400目时,其开路电压、短路电流和输出功率分别达到275 V、9μA和459.51μW,且在10 MΩ阻抗下的输出功率密度可达45.951 mW·m^(-2).此外,所制备的摩擦纳米发电机可点亮120颗商业LED灯,并且具有良好的电容充电能力,在电子设备和无线传感器供电方面的实际应用也展示了良好效果.

雨滴能量收集型摩擦纳米发电机的研究进展

简单阐述了摩擦纳米发电机(TENG)的工作原理及4种基本工作模式。总结了雨滴能量收集型TENG在基于垂直接触-分离结构、单电极结构、独立层结构3种工作模式及多种基本工作模式集成的结构优化及应用。介绍了开发出的其他结构类型的TENG及通过表面处理、结构优化等方式对雨滴能量收集效率的增强。此外,对其他类型如太阳能、风能等清洁能源收集装置与雨滴能量收集型TENG集成为互补的混合能源装置进行了介绍和分析。最后,对目前TENG在雨滴能量收集方面存在的问题和不足进行总结,并展望了未来的挑战和发展方向。