一种高能量利用率摩擦纳米发电机的制备方法与流程

本发明属于纳米功能器件制备领域，涉及一种高能量利用率摩擦纳米发电机的制备方法。

背景技术：

随着化石能源的日益消耗以及全球环境问题变的越来越严重，绿色能源的有效利用已经成为全球科学家所面临的问题。最近，可转变机械能为电能的摩擦纳米发电机被发明，由于其结构简单、成本低廉和能够收集低频能量，而受到研究人员广泛的关注(liangq,zhangq,yanx,etal.recyclableandgreentriboelectricnanogenerator.[j].advancedmaterials,2016,29(5).)。当前，摩擦纳米发电机在输出、转化效率和应用方面已经取得巨大的进展。它的输出可以满足手机充电(mam,zhangz,liaoq,etal.integratedhybridnanogeneratorforgasenergyrecycleandpurification[j].nanoenergy,2017,39.)，转化效率已经达到85％(xiey,wangs,nius,etal.grating‐structuredfreestandingtriboelectric‐layernanogeneratorforharvestingmechanicalenergyat85％totalconversionefficiency[j].advancedmaterials,2014,26(38):6599-6607.)。这都表明摩擦纳米发电机可以作为一种非常有前景的能源收集技术(wangzl.triboelectricnanogeneratorsasnewenergytechnologyforself-poweredsystemsandasactivemechanicalandchemicalsensors[j].acsnano,2013,7(11):9533.)。然而，由于其高的内部阻抗(mω级别)，在给电子器件供能时，由于电子器件的低内阻，使摩擦纳米发电机能量利用率极低(不足1％)(xif,pangy,liw,etal.universalpowermanagementstrategyfortriboelectricnanogenerator[j].nanoenergy,2017,37:168-176.)。目前，解决阻抗摩擦纳米发电机不匹配，主要通过电容、电感法和负载电容串并联法(tangw,zhout,zhangc,etal.apower-transformed-and-managedtriboelectricnanogeneratorandits,applicationsinaself-poweredwirelesssensingnode.[j].nanotechnology,2014,25(22):225402.)。但是由于各种电子器件的引入，不仅造成了电路系统的复杂，也造成了发电机的能量损失。为此，需要一种新的方法来提高摩擦纳米发电机的能量利用率。

技术实现要素：

为了有效解决现有摩擦纳米发电机的能量利用率低和引入电路管理技术，使电路系统复杂的问题。本发明提出一种高能量利用率摩擦纳米发电机的制备方法，实现摩擦纳米发电机能量的高效利用。

一种高能量利用率摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于：用同时含低有效厚度和有序电偶极矩的介电材料构建摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机具有高的能量利用率，所述摩擦纳米发电机包括多层堆叠式摩擦纳米发电机、接触分离式摩擦纳米发电机、滑移式摩擦纳米发电机等多种形式。

进一步地，用同时含低有效厚度和有序电偶极矩的介电材料构建多层堆叠式摩擦纳米发电机，多层堆叠式摩擦纳米发电机的结构为pet/au/pvdf@cnt/au/pu，具体制备方法包括以下步骤：

(1)制备含低有效厚度和有序电偶极矩的介电材料；

(2)将步骤(1)所得介电材料两边镀上电极；

(3)将步骤(2)所得介电材料附在基底上，并在介电材料黏上导线；

(4)在步骤(3)的介电材料旋涂上绝缘摩擦材料，即可构成多层堆叠式摩擦纳米发电机。

进一步地，所述步骤(1)中介电材料的低有效厚度可以通过降低介电材料的实际厚度和提高材料的相对介电常数实现，高相对介电常数可以通过掺杂导电物体(如碳纳米管、石墨烯、石墨、金属纳米线等)于介电材料中实现。

进一步地，所述步骤(1)中含有序电偶极矩的介电材料可以是驻极体(聚丙烯、全氟乙烯等)、压电材料(聚偏氟乙烯、偏氟乙烯一三氟乙烯共聚物等)。

进一步地，所述步骤(1)中同时含低有效厚度和有序电偶极矩的介电材料，是通过将掺杂导电物体于驻极体或压电材料中，再极化。

进一步地，所述步骤(2)中用电极可以是任意导电物体(如金、铂、铜、银和碳等)。

进一步地，所述步骤(3)中用基底可以是任意固体片(如玻璃和聚合物等)。

进一步地，所述步骤(4)所用绝缘摩擦材料可以是任意不导电材料(硅、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等)。

进一步地，接触分离式摩擦纳米发电机或滑移式摩擦纳米发电机的上半部分为pet/au/pvdf@cnt，下半部分为pet薄片基底上附上金属电极或其他导电物体。上半部分和下半部分呈纵向接触分离运动即构成接触分离式摩擦纳米发电机，上半部分和下半部分横向相对运动即构成滑移式摩擦纳米发电机。其中pet/au/pvdf@cnt，pet可以由任意固体片(玻璃和聚合物)替代，au可以由其他导电物体(铂、铜、银和碳)替代，pvdf@cnt可以用导电物体掺杂压电材料或驻极体(石墨掺杂聚四氟乙烯)替代，下半部分的金属电极为金、铂、铜、银等，导电物体为碳。

本发明使用的材料体系简单可控、制作成本低廉；并且该方法具有普适性，适用于制造任意不同结构的摩擦纳米发电机。所制摩擦纳米发电机内部阻抗低，能量利用率高。具备结构简单、成本低廉等优点，适于大批量生产，具有重大的商业价值和现实意义。

附图说明

图1多层堆叠式摩擦纳米发电机结构图，

图2多层堆叠式摩擦纳米发电机的功率和内部阻抗图，

图3接触分离式摩擦纳米发电机结构图，

图4滑移式摩擦纳米发电机结构图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的技术方案进行详细说明，显然，所描述的实例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实例。基于本发明中的实例，本领域人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。由于该方法具有普适性，将在实例里介绍其在不同结构的发电机应用。

实例1：提高多层堆叠式摩擦纳米发电机的能量利用率

(1)以5ml的n,n-二甲基甲酰胺溶解0.64gpvdf粉末，直至成白色透明液体；

(2)在步骤(1)的pvdf液体加入0.04g的碳纳米管(cnt)，在室温下，搅拌24h至均匀，以提高薄膜介电常数；

(3)将pvdf和cnt的复合溶液倒在玻璃基底，流延成膜，并放置60℃鼓风干燥箱中，烘干；

(4)将步骤(3)的复合薄膜在2kv电场下极化2h，以形成电偶极矩；

(5)用直流溅射或者热蒸镀，将步骤(4)的复合薄膜两边镀上金导电电极；

(6)将步骤(5)的薄膜附着在聚合物聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄片上，构成pet/au/pvdf@cnt/au；

(7)将步骤(6)的pet/au/pvdf@cnt/au上旋涂上聚氨酯(pu),构成摩擦纳米发电机pet/au/pvdf@cnt/au/pu，摩擦纳米发电机结构如附图1所示；

(8)用任意物体(铝，手或橡胶等)和摩擦纳米发电机pet/au/pvdf@cnt/au/pu接触；用铝和摩擦纳米发电机接触，产生相应的功率输出和内部阻抗，如附图2所示。

实例2：提高接触分离式和滑移式摩擦纳米发电机的能量利用率

(1)以5ml的n,n-二甲基甲酰胺溶解0.64gpvdf粉末，直至成白色透明液体；

(2)在步骤(1)的pvdf液体加入0.04g的碳纳米管(cnt)，在室温下，搅拌24h至均匀，以提高薄膜介电常数；

(3)将pvdf和cnt的复合溶液在玻璃基底，流延成膜，并放置60℃鼓风干燥箱中，烘干；

(4)将步骤(3)的复合薄膜在2kv电场下极化2h，以形成电偶极矩；

(5)用直流溅射或者热蒸镀，将步骤(4)的复合薄膜一边镀上金导电电极；

(6)将步骤(5)的薄膜附着在聚合物聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄片上，构成pet/au/pvdf@cnt；

(7)在另外pet薄片基底上附上金属电极(铝、铜等)，构成pet/al；

(8)将pet/al和pet/au/pvdf@cnt纵向相对运动，接触分离，即可构成高能量利用率接触分离式摩擦纳米发电机，其发电机结构如附图3所示；若pet/al和pet/au/pvdf@cnt接触后，横向相对运动，即可构成高能量利用率滑移式摩擦纳米发电机，其发电机结构如附图4所示。