摩擦电纳米发电机(TENG)的结构设计及其相关应用研究
摩擦起电现象几乎存在于任何地方和任何时间,是一种很普遍的、很古老的现象。大概从古希腊时期开始,这个现象就几乎是每个科研工作者,甚至是每个人都知道的物理现象。但是,人们常常认为摩擦起电是一种负面效应,在许多情况下人们都通过各种技术途径来回避摩擦起电。最近,美国佐治亚理工学院的王中林教授小组发明了基于摩擦起电效应和静电感应相结合的TENG,这种发电机能够用来将机械能转化为电能。TENG作为一种能量产生单元,在其内部的电路中,由于摩擦电效应,两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差;在外部...
摩擦起电现象几乎存在于任何地方和任何时间,是一种很普遍的、很古老的现象。大概从古希腊时期开始,这个现象就几乎是每个科研工作者,甚至是每个人都知道的物理现象。但是,人们常常认为摩擦起电是一种负面效应,在许多情况下人们都通过各种技术途径来回避摩擦起电。最近,美国佐治亚理工学院的王中林教授小组发明了基于摩擦起电效应和静电感应相结合的TENG,这种发电机能够用来将机械能转化为电能。TENG作为一种能量产生单元,在其内部的电路中,由于摩擦电效应,两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差;在外部电路中,电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动,从而来平衡这个电势差。现在,发展TENG技术显得非常关键也非常有必要,因为TENG技术是一种非常有前途的能量收集方式,它不仅能收集大规模的能量也能攫取小尺度的能量。利用 TENG技术,很有可能能够解决全球能源短缺,也能够推动个人电子产品和自驱动系统的发展。本论文中,我们设计了若干种不同结构的、不同工作原理的、不同应用范围的TENG。通过系统的实验和理论模拟,我们对TENG的工作机制有了更深的理解,也进一步扩大了TENG的潜在应用范围。我坚信,在不久的将来,TENG一定会改变我们的生活方式。本研究主要内容包括:
  ①甲基橙(MO)是纺织工业废水中的一种典型染料。我们通常可以通过一个电源驱动的电催化氧化过程来降解MO,这个降解是基于阳极上产生的具有超氧化性的氢氧自由基来完成的。在此,我们设计了一种复合能源器件,它可以用于自驱动电催化反应来降解MO,而不需要外界的电源来供电。所设计的复合能源器件既能同时也能单独收集机械能和热能。利用直径大约为200 nm的柔性PDMS纳米线阵列而构建于器件顶部的TENG来收集机械能,热能则是靠器件底部的热释电纳米发电机(PENG)来收集。我们对复合能源器件进行了系统的电输出性能表征,并获得了较高的输出性能。复合能源器件产生的电能能够用来直接电降解MO,已经证明这是一个完全成功的自驱动电催化氧化过程。另外,我们所构建的自驱动电催化降解反应也可以用于其他环境监控、环境治理等方面。
  ②发明了一种球形的单电极三维摩擦电纳米发电机(3D-TENG)。该3D-TENG由一个透明塑料外球和一个聚四氟乙烯(PFA)内球组成。基于摩擦起电和静电感应,所设计的3D-TENG能够巧妙地、有效地收集全空间的环境振动能,并通过接触-分离模式与滑动模式相结合的工作方式使电子从Al电极转移到地或者从地转移到Al电极,从而将收集到的能量转换为电能。通过系统地研究该器件在不同振动频率下、在不同振动方向下的输出性能,我们得出该3D-TENG在100MΩ的负载下,其最大输出电压可达57 V,最大输出电流可达2.3μA,对应的最大输出功率为128μW,这可以直接驱动数十盏绿色LED灯泡。另外,该3D-TENG也被用来设计成一个自驱动的加速度传感器,其探测灵敏度约为15.56V/g。本研究开启了基于单电极的TENG潜在应用的新篇章,其在全空间的环境振动能收集和自驱动振动传感器系统方面将有着广泛的应用前景。
  ③阐述了一种基于人体皮肤的TENG,它既能收集生物机械能,也能作为一种触摸屏技术而用作自驱动触觉传感器。我们所发明的TENG是利用人体皮肤的部分区域和聚二甲硅氧烷(PDMS)薄膜之间的接触-分离而工作的。其中, PDMS薄膜表面是经微型金字塔结构修饰的,并将其粘贴在一个通过路端负载而接地的ITO电极上。所设计的TENG的开路电压可达1000V,短路电流密度可达8 mA/m2,功率密度可达500mW/m2,这可以用来直接点亮数百盏LED灯泡。TENG的工作原理是基于摩擦带电的皮肤与 PDMS薄膜之间分离距离的变化而造成ITO电极与地之间的电荷转移而工作的。另外,该 TENG也被用于设计成一种可独立寻址的矩阵,用于跟踪定位和人体触碰压强探测。所制作的矩阵是一种自驱动的具有高分辨率的触觉传感器,通过记录和分析输出电压信号而制成一张映射图,其探测压强的灵敏度约为0.29±0.02V/kPa,每个像素的尺寸为3mm×3mm。该TENG在人机接口、微纳机电系统以及触摸屏技术方面具有广泛的潜在应用。
  ④在日常生活生产中,转动能是大量丰富存在着的一种能量。收集环境中的转动能已经吸引了越来越多的人的关注。在本研究中,我们报道了一种基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机(SR-TENG)用来将转动能转换为电能。所发明的单电极SR-TENG具有一个独一无二的优势,就是能够克服在收集来自运动或者转动的车轮上的转动能时的接线困难。我们制作的器件由一个粘贴有若干PTFE单元的可旋转的有机玻璃圆盘和一个固定在基座上的Al电极组成。系统的实验和相关的理论模拟表明,在小尺寸范围内,在相同转速下非对称的SR-TENG相比对称的SR-TENG具有更优的输出性能。在负载电阻为100MΩ的情况下,粘贴有7个PTFE单元的非对称SR-TENG在转速为800rpm时能达到55V的输出电压,对应的输出功率为30μW,这足以点亮数十盏LED灯泡。这种SR-TENG也可以用来从自行车车轮转动中收集机械能。而且,我们也证明了SR-TENG能够应用于风能收集以及作为自驱动风速传感器,其探测灵敏度大约为0.83V/(m/s)。本研究进一步拓展了单电极 TENG工作原理以及其在环境转动能收集和自驱动环境监测传感器方面的应用范围。
  ⑤制作了一个基于衣服的TENG,即在内外两层衣服的相同区域分别缝制上带有微结构的PDMS薄膜和Al箔。当人在走动或者运动时,衣服内TENG的两个薄膜会周期性地发生分离与接触,从而使得TENG可以收集人体运动的能量。我们所制作的TENG的单层尺寸为2cm×7cm×0.08cm,然后将其缝制在内外两层衣服上。在人穿上该衣服随意走路时,TENG的最大输出电压可达17V,输出电流密度可达0.02μA/cm2。通过拍打衣服,该TENG可以作为直接电源来点亮30盏LED灯泡,也可以对锂离子电池充电。储存在锂离子电池中的电能随后用来驱动葡萄糖生物传感器。我们在此证明了,可以通过TENG收集人体运动能来探测我们人体内的生物活性物质。另外,由于发电机对振动有较高的灵敏度和较好的稳定性,也使得发电机可以用来探测人走路或者跑步的频率。
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作者: 张虎林
学科专业: 凝聚态物理
授予学位: 博士
学位授予单位: 重庆大学
导师姓名: 胡陈果
学位年度: 2014
语 种: chi
分类号: O492.1 O493.5
在线出版日期: 2014年9月18日