一种单电极纳米结构摩擦发电海绵及其制备和应用的制作方法

本发明属于纳米发电机及其制备和应用领域，特别涉及一种单电极纳米结构摩擦发电海绵及其制备和应用。

背景技术

2012年美国佐治亚理工学院的王中林教授研究团队首次提出了摩擦纳米发电机的概念。和经典电磁发电机相比，摩擦纳米发电机在低频下的高效能是同类技术无法比拟的。在如今能源紧缺的情况下，利用摩擦纳米发电机可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，同时摩擦纳米发电机还可以用作自驱动传感器来检测机械信号。

摩擦纳米发电机有四种基本模式：a)垂直接触-分离模式；b)横向滑动模式；c)单电极模式；d)自支撑摩擦电层状模式。基于这四种发电模式，传统的摩擦纳米发电机衍生出多种结构。例如，wangsh等人设计了一种拱形结构的摩擦纳米发电机，在这种器件中，他们将上部分自然弯曲加工出一种独特的拱形结构，可以通过材料自身的弹性来实现两个摩擦层之间的有效分离(wangs,etal.nanoletters12.12(2012):6339-6346)。但是，由于拱形结构的存在使得该器件只能进行按压操作，扭曲、弯折会有一定难度。zhug等人设计了一种弹簧支持的分离结构，在这种结构中，弹簧的作用是使摩擦纳米发电机的两个摩擦层在外力撤销时很容易分离(zhug,etal.nanoletters13.2(2013):847-853)，但是由于使用了pmma等高强度材料使得器件的柔韧性低。目前多数器件的结构设计造成它们难以与人体运动进行很好的配合。tingl等人设计了一种以凝胶为摩擦材料的单电极摩擦纳米发电机(liut，etal.acsnano12.3(2018):2818-2826)，该设计可以很好的解决柔韧性的问题，但是由于使用的是凝胶材料，因此它的透气性较差，限制了它在可穿戴领域的应用。为了解决上述问题，我们需要设计一种新的摩擦发电结构，这种结构不仅具有较好的透气性而且能够进行各种机械活动，如拉伸，扭曲，弯折等。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种单电极纳米结构摩擦发电海绵及其制备和应用，克服了现有摩擦纳米发电灵活性较差，应用领域有限的缺陷，该单电极纳米结构摩擦发电海绵具有多孔的三维立体结构，拓宽了使用领域，该制备工艺简单、便捷、灵活性高、重量轻而且成本低廉。

本发明的一种单电极纳米结构摩擦发电海绵，由外到内依次包括电极层、第一摩擦层和第二摩擦层；其中电极层为导电海绵；

在外力作用下，所述第一摩擦层被压缩并与第二摩擦层发生部分接触；撤去外力时，所述第一摩擦层发生弹性回复并与第二摩擦层发生分离。

所述第一摩擦层在充当摩擦层的同时也具有弹性层的作用。

所述第一摩擦层为硅胶和/或聚二甲基硅氧烷。

所述第二摩擦层为氧化物，氧化物的粒径为200nm～100μm。

所述氧化物为二氧化硅和/或二氧化钛。

本发明的一种单电极纳米结构摩擦发电海绵的制备方法，步骤包括：

(1)电极层材料导电海绵吸收第一摩擦层材料，超声，烘干，得到单电极纳米结构摩擦发电海绵腔体；

(2)单电极纳米结构摩擦发电海绵腔体将第二摩擦层材料吸收并超声，烘干，即得单电极纳米结构摩擦发电海绵。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中导电海绵的厚度为5mm～1cm。

所述步骤(1)、(2)中第一摩擦层材料和第二摩擦层材料的质量比为0.5～3.5：0.04～0.2。

第一摩擦层为硅胶、聚二甲基硅氧烷中的一种，用量为0.5g～3.5g。

第二摩擦层由氧化物构成，氧化物用量为0.04g～0.2g。

所述步骤(1)、(2)中超声为：超声仪的射频功率为240～384w，超声时间为15min～30min；

烘干为：鼓风干燥箱中烘干，烘干温度为70℃～90℃，烘干时间为2h～3h。

所述步骤(2)中第二摩擦层材料分散在分散剂中，第二摩擦材料、分散剂的质量比为1:100～5:100。

第二摩擦层材料为二氧化硅，则所述分散剂为乙醇、水、甲苯中的一种。

第二摩擦层材料为二氧化钛，则所述分散剂为乙醇、质量分数为20％～50％的己内酰胺溶液中的一种。

本发明的一种单电极纳米结构摩擦发电海绵的应用，如传感器、柔性电子器件、可穿戴能源器件等领域。

有益效果

(1)本发明所制备的单电极纳米结构摩擦发电海绵制备工艺简单、便捷、灵活性高、成本低廉；

(2)本发明所制备的单电极纳米结构摩擦发电海绵重量轻(0.5～3.5g，已有技术制备的摩擦纳米发电机的重量为1.5～6.0g)，海绵的弹性骨架材料提供了良好的柔韧性，因此其在柔性电子元件，传感器件等领域具有广阔的应用前景；

(3)本发明采用了聚合物材料和氧化物材料构成微型摩擦发电机，多孔电极层材料的使用使得每个孔洞都带有一个微型摩擦纳米发电机，整个单电极纳米结构摩擦发电海绵是由许多微型摩擦纳米发电机构成的，从而实现电能的输出，氧化物的加入可以灵活地调节单电极纳米结构摩擦发电海绵输出电信号的大小；

(4)本发明所制备的单电极纳米结构摩擦发电海绵将多孔的三维立体结构与氧化物进行很好的组合，能够通过改变加入氧化物的质量和粒径控制单电极纳米结构摩擦发电海绵输出信号的大小，使其灵活性高，在可穿戴能源器件、电子皮肤领域具有很大的发展前景。

附图说明

图1为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵的结构示意图；

图2为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵的发电过程示意图；

图3为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵的制备过程示意图；

图4中(a)、(b)为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵的弯曲性能示意图；

图5为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵实例1的输出电压图；

图6为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵实例2的输出电压图；

图7为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵实例3的输出电压图；

图8为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵实例4的输出电压图；

图9为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵实例5的输出电压图；

图10为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵实例6的输出电压图；

图11为本发明的单电极纳米结构摩擦发电海绵实例7的输出电压图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

取0.5g硅胶(深圳市欧斯邦新材料有限公司，0s-903)并用1ml甲苯溶解，用4cm×2cm×0.05cm的导电海绵(华悦源电子有限公司)将溶解后的硅胶溶液吸收，将其超声15min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱中2h，得到单电极摩擦纳米发电海绵腔体。将0.04g平均粒径为200nm的tio2(锐钛矿型)均匀分散在1ml质量分数为40％的己内酰胺溶液中得到tio2分散液。将上述得到的单电极摩擦纳米发电海绵腔体吸收tio2分散液，并超声15min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到单电极摩擦纳米发电海绵。

从图5中可以看出，制备的单电极摩擦纳米发电海绵输出的电信号为0.8v。

实施例2

取1g硅胶(深圳市欧斯邦新材料有限公司，0s-903)并用2ml甲苯溶解，用4cm×2cm×0.05cm的导电海绵(华悦源电子有限公司)将溶解后的硅胶溶液吸收，将其超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到单电极摩擦纳米发电海绵腔体。将0.04g平均粒径为100μm的tio2(锐钛矿型)均匀分散在1ml质量分数为40％的己内酰胺溶液中得到tio2分散液。将上述得到的单电极摩擦纳米发电海绵腔体吸收tio2分散液，并超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到单电极摩擦纳米发电海绵。

从图6中可以看出，制备的单电极摩擦纳米发电海绵输出的电信号为4v。

实施例3

取3.5g硅胶(深圳市欧斯邦新材料有限公司，0s-903)并用7ml甲苯溶解，用4cm×2cm×0.05cm的导电海绵(华悦源电子有限公司)将溶解后的硅胶溶液吸收，将其超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到单电极摩擦纳米发电海绵腔体。将0.08g平均粒径为200nm的tio2(锐钛矿型)均匀分散在2ml质量分数为40％的己内酰胺溶液中得到tio2分散液。将上述得到的单电极摩擦纳米发电海绵腔体吸收tio2分散液，并超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到单电极摩擦纳米发电海绵。

从图7中可以看出，制备的单电极摩擦纳米发电海绵输出的电信号为1.5v。

实施例4

取1g硅胶(深圳市欧斯邦新材料有限公司，0s-903)并用2ml甲苯溶解，用4cm×2cm×0.05cm的导电海绵(华悦源电子有限公司)将溶解后的硅胶溶液吸收，将其超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到单电极摩擦纳米发电海绵腔体。将0.2g平均粒径为200nm的tio2(锐钛矿型)均匀分散在5ml质量分数为40％的己内酰胺溶液中得到tio2分散液。将上述得到的单电极摩擦纳米发电海绵腔体吸收tio2分散液，并超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到单电极摩擦纳米发电海绵。

从图8中可以看出，制备的单电极摩擦纳米发电海绵输出的电信号为4v。

实施例5

取1g聚二甲基硅氧烷(美国道康宁sylgard184)并用2ml甲苯溶解，用4cm×2cm×0.05cm的导电海绵(华悦源电子有限公司)将溶解后的聚二甲基硅氧烷吸收，将其超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到单电极摩擦纳米发电海绵腔体。将0.12g平均粒径为1μm的sio2均匀分散在3ml乙醇中得到sio2分散液。将上述得到的单电极摩擦纳米发电海绵腔体吸收sio2分散液，并超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到单电极摩擦纳米发电海绵。

从图9中可以看出，制备的单电极摩擦纳米发电海绵输出的电信号为1.5v。

实施例6

取5份质量为1g的硅胶(深圳市欧斯邦新材料有限公司，0s-903)，分别用2ml甲苯溶解，用五块4cm×2cm×0.05cm的导电海绵(华悦源电子有限公司)分别将溶解后的硅胶溶液吸收，将其超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到5组相同的单电极摩擦纳米发电海绵腔体。分别将0.04g、0.08g、0.12g、0.16g和0.2g的tio2(锐钛矿型，平均粒径为100μm)均匀分散在1ml质量分数为40％的己内酰胺溶液中得到tio2分散液。将上述得到的单电极摩擦纳米发电海绵腔体分别吸收tio2分散液，并超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到5组单电极摩擦纳米发电海绵。

从图10中可以看出，用质量为0.12g的tio2制备的单电极摩擦纳米发电海绵输出的电信号最大，值为8v。

实施例7

取5份质量为0.5g的硅胶(深圳市欧斯邦新材料有限公司，0s-903)，分别用1ml甲苯溶解，用五块4cm×2cm×0.05cm的导电海绵(华悦源电子有限公司)分别将溶解后的硅胶溶液吸收，将其超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到5组相同的单电极摩擦纳米发电海绵腔体。分别将平均粒径为200nm、400nm、800nm、50μm和100μm的tio2(锐钛矿型，每份质量为0.04g)均匀分散在1ml质量分数为40％的己内酰胺溶液中得到tio2分散液。将上述得到的单电极摩擦纳米发电海绵腔体分别吸收tio2分散液，并超声30min后放在80℃的电热恒温鼓风干燥箱(dhg-9030a型)中2h，得到5组单电极摩擦纳米发电海绵。

从图11中可以看出，在本实验中，随着加入tio2粒径的增大，单电极摩擦纳米发电海绵输出的电信号也逐渐增大。