一种基于超滑移表面的摩擦纳米发电机的制备方法

1.本发明涉及超滑移材料和摩擦纳米发电机技术领域，尤其涉及一种基于超滑移表面的摩擦纳米发电机的制备方法。


背景技术：

2.随着全球气候变化的加剧，迫切需要新型绿色能源的开发。摩擦电纳米发电机(teng)对海洋能源的利用受到越来越多的关注。除了常见的固-固接触，固-液、液-液接触也因其在海洋能源收集方面的潜在应用而受到广泛的关注。固-液teng中的疏水固体表面在极端情况下截留的空气层会被破坏，导致疏水性能恶化。水膜的形成阻碍了水与固体表面的有效分离，抑制了摩擦电荷的产生。此外，受猪笼草在捕虫过程中滑移区作用的启发，润滑液注入的多孔超滑移表面（slipss）通过将疏水表面的空气层替换为润滑油层，以此来形成稳固的固-液复合界面。它不仅具有超疏水表面的优点，如表面疏水、防污、抗粘接、防冰防雾、防腐抗菌等，而且在恶劣环境下仍具有良好的稳定性。因此，基于slipss来设计teng器件将为新型能量收集装置的设计提供新的途径，克服传统基于超疏水表面的固-液teng在恶劣环境下失效的缺点。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、方便、易于工业化生产的基于超滑移表面的摩擦纳米发电机的制备方法。
4.为解决上述问题，本发明所述的一种基于超滑移表面的摩擦纳米发电机（slipss-teng）的制备方法，包括以下步骤：
⑴
制备摩擦电极：
①
将10~60wt%浓度的聚四氟乙烯分散液按0.02~0.04ml/cm2通过旋涂方法涂覆到清洗后的承托基底上，得到ptfe涂覆的基底；
②
将所述ptfe涂覆的基底在300℃的条件下加热2小时，除去ptfe分散液中的表面活性剂，制得固体摩擦材料涂覆的承托层；
③
按0.002~0.004ml/cm2将润滑油滴涂在所述固体摩擦材料涂覆的承托层上，并通过旋涂方法去除多余的润滑油滴，形成摩擦层，即得基于超滑移表面的摩擦电极；
⑵
将两个同样的所述基于超滑移表面的摩擦电极封装到塑料管的两侧；
⑶
将摩擦液体注入所述塑料管内；
⑷
用导电胶带将金属导线固定在所述基于超滑移表面的摩擦电极外侧上，即得基于超滑移表面的摩擦纳米发电机。
5.所述步骤
①
中承托基底的材质是指铝、镍、铜、银、金、铂中的一种。
6.所述步骤
③
中润滑油是指全氟聚醚（pfpe）、硅油、矿物油中的一种。
7.所述步骤
⑵
中塑料管的材质是指聚碳酸酯（pc）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）、有机玻璃中的一种。
8.所述步骤
⑶
中摩擦液体是指纯水、海水、乙二醇、原油、汽油、柴油中的一种。
9.所述步骤
⑷
中导电胶带是指铜胶带、铝胶带、合金胶带中的一种。
10.所述步骤
⑷
中金属导线的材质是指金、银、铂、铜、铝、钛、钨中的一种。
11.本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明中摩擦电极为润滑液注入的多孔超滑移表面（slipss），通过将其在恶劣环境下仍具有良好稳定性的超滑移表面引入到摩擦纳米发电机中，有效克服了传统基于超疏水表面的固-液teng在恶劣环境下失效的缺点。
12.2、本发明制备简单、方便、易于工业化生产。经实验证明，本发明所得超滑表面在恶劣环境下具有优异的稳定性，在超滑移材料和摩擦纳米发电机领域有着广泛应用前景。
附图说明
13.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
14.图1为本发明基于超滑移表面的摩擦纳米发电机的结构示意图。
15.图中：1—摩擦层；2—承托层；3—摩擦液体；4—塑料管；5—金属导线；6—导电胶带。
16.图2为基于超疏水表面的摩擦纳米发电机（shbs-teng）和本发明基于超滑移表面的摩擦纳米发电机（slipss-teng）的测试结果。其中：(a)和(b)分别为shbs-teng和slipss-teng的短路电流和开路电压。
17.图3为本发明slipss-teng的长期稳定性测试结果。
18.图4为shbs-teng和本发明slipss-teng的在恶劣环境下的测试结果。其中：(a)和(b)分别为5℃、15℃、25℃下shbs-teng的短路电流和开路电压，(a)中的插图为5℃下水滴黏附在疏水表面的图像；(c)和(d)分别为5℃、15℃、25℃下slipss-teng的短路电流和开路电压，(c)中的插图为5℃下水滴在超滑移表面顺利滑落的图像；(e)和(f)分别为在水中浸泡48小时前后的shbs-teng的短路电流和开路电压；(g)和(h)分别为在水中浸泡48小时前后的slipss-teng的短路电流和开路电压，(e)和(g)中的插图分别为疏水表面和超滑移表面在水中浸泡的图像；(i)和(j)分别为摩擦电极表面受到划痕破坏前后的shbs-teng的短路电流和开路电压；(k)和(l)分别为摩擦电极表面受到划痕破坏前后的slipss-teng的短路电流和开路电压，(i)和(k)中的插图分别为疏水表面和超滑移表面在水中浸泡的图像。
具体实施方式
19.一种基于超滑移表面的摩擦纳米发电机（slipss-teng）的制备方法，包括以下步骤：
⑴
制备摩擦电极：
①
将10~60wt%浓度的聚四氟乙烯（ptfe）分散液按0.02~0.04ml/cm2通过旋涂方法涂覆到清洗后的承托基底上，得到ptfe涂覆的基底。承托基底的材质是指铝、镍、铜、银、金、铂中的一种。
20.②
将ptfe涂覆的基底在300℃的条件下加热2小时，除去ptfe分散液中的表面活性剂，制得固体摩擦材料涂覆的承托层2。
21.③
按0.002~0.004ml/cm2将润滑油滴涂在固体摩擦材料涂覆的承托层2上，润滑油
是指全氟聚醚（pfpe）、硅油、矿物油中的一种。该润滑油与摩擦液体不混溶。通过旋涂方法去除多余的润滑油滴，形成摩擦层1，即得基于超滑移表面的摩擦电极。
22.⑵
将两个同样的基于超滑移表面的摩擦电极封装到塑料管4的两侧。
23.⑶
将摩擦液体3注入塑料管4内。
24.摩擦液体3是指纯水、海水、乙二醇、原油、汽油、柴油中的一种。该摩擦液体3与润滑油层不相容。
25.塑料管4的材质是指聚碳酸酯（pc）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）、有机玻璃中的一种。
26.⑷
用导电胶带6将金属导线5固定在基于超滑移表面的摩擦电极1外侧上，即得基于超滑移表面的摩擦纳米发电机，如图1所示。
27.其中：导电胶带6是指铜胶带、铝胶带、合金胶带中的一种。
28.金属导线5的材质是指金、银、铂、铜、铝、钛、钨中的一种。
29.【工作原理】将两侧的金属导线5接在电信号探测设备上即可测得该摩擦纳米发电机输出的电信号。在直线电机的驱动下，它沿着水平方向做简谐振动。其中的摩擦液体3会随着摩擦纳米发电机的震动与摩擦电极之间发生不断接触分离，使得摩擦电极与摩擦液体3之间的感应电荷发生变化，形成电势差，从而产生感应电流。经典的固-液teng中常采用疏水表面用作摩擦电极；而slipss通过将疏水表面的空气层替换为润滑油层，形成了稳固的固-液复合界面，其不仅具有超疏水表面的优点，而且在恶劣环境下仍具有良好的稳定性，进而能够解决传统基于疏水表面的摩擦纳米发电机在恶劣环境下失效的问题。
30.实施例1 一种shbs-teng的制备方法，包括以下步骤：
⑴
制备摩擦电极：
①
将60wt%浓度的聚四氟乙烯（ptfe）分散液按0.032ml/cm2通过旋涂方法涂覆到清洗后的铝片上，得到ptfe涂覆的基底；
②
将ptfe涂覆的基底在300℃的条件下加热2小时，除去ptfe分散液中的表面活性剂，制得基于疏水表面的摩擦电极。
31.⑵
将两个同样的摩擦电极封装到塑料管4的两侧；塑料管4为的pc管，其外径为2cm，内径为1.8cm，长度为6cm。
32.⑶
将5 ml摩擦液体3注入塑料管4内，摩擦液体3为去离子水。
33.⑷
用导电胶带6将金属导线5固定在在摩擦电极的外侧，即得shbs-teng。导电胶带6为铜胶带；金属导线5为铜线。
34.实施例2 一种slipss-teng的制备方法，包括以下步骤：
⑴
制备摩擦电极：
①
将60wt%浓度的聚四氟乙烯（ptfe）分散液按0.032ml/cm2通过旋涂方法涂覆到清洗后的铝片上，得到ptfe涂覆的基底；
②
将ptfe涂覆的基底在300℃的条件下加热2小时，除去ptfe分散液中的表面活性剂，制得摩擦电极的固体摩擦材料涂覆的承托层2；
③
按0.0032ml/cm2将润滑油（pfpe）滴涂在承托层2上，通过旋涂方法去除多余的润滑油滴，即得基于超滑移表面的摩擦电极。
35.⑵
将两个同样的基于超滑移表面的摩擦电极封装到塑料管4的两侧；塑料管4为的
pc管，其外径为2cm，内径为1.8cm，长度为6cm。
36.⑶
将5 ml摩擦液体3注入塑料管4内，摩擦液体3为去离子水。
37.⑷
用导电胶带6将金属导线5固定在在摩擦电极的外侧，即得slipss-teng。导电胶带6为铜胶带；金属导线5为铜线。
38.对制备的shbs-teng、slipss-teng的电信号进行收集。系统的短路电流(i
sc
)和输出电压(v
oc
)分别采用sr570型低噪声电流放大器(stanford research system)和ni-pci6259型(national instruments)进行采集。
39.如图2所示。实施例1中shbs-teng的短路电流达到-100～250 na，开路电压达到-1.6~1.6 v。实施例2中slipss-teng的短路电流达到-180~200 na，开路电压达到-1.3~1.3 v；在直线电机的驱动下，摩擦纳米发电机沿着水平方向做简谐振动。其振幅为0.9 cm、频率为2 hz。
40.图3为slipss-teng大约10000次循环的短路电流，由图中可以看出，其显示出良好的长期稳定性。
41.图4为在各种恶劣环境下，如低温、高湿度以及受到表面破坏前后，shbs-teng和slipss-teng的测试结果。图4（a-b）和图4（c-d）分别为实施例1中shbs-teng和实施例2中slipss-teng在低温环境下的短路电流和开路电压。图4（e-f）和图4（g-h）分别为实施例1中shbs-teng和实施例2中slipss-teng在高湿度环境下的短路电流和开路电压。图4（i-j）和图4（k-l）分别为实施例1中shbs-teng和实施例2中slipss-teng遭受划痕破坏前后的短路电流和开路电压。当遭受低温、高湿度以及受到表面破坏时，相对于shbs-teng，slipss-teng的稳定性明显提升。结果表明，slipss-teng在恶劣环境下仍有优异的稳定性。
42.因此，本发明通过将超滑移表面引入到摩擦纳米发电机中，有效地解决了传统基于疏水表面的摩擦纳米发电机在恶劣环境下失效的问题。