一种高性能摩擦纳米发电机、制备方法及应用

1.本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种高性能4h-色烯类有机摩擦纳米发电机的制备方法与应用。


背景技术：

2.随着化石燃料的短缺以及污染灾害的频发，目前世界各国都急需一种绿色、高效、清洁、无污染的可持续能源来缓解能源与环境的压力。摩擦电纳米发电机（teng）作为一种新型的能量收集技术，具有体积小、制作简单、能量转换效率高等优点，从而受到越来越多人的青睐。而且，摩擦电纳米发电机可以充分利用生活环境中的各种被忽略的机械能，包括水波能、风能、人体运动机械能等，这种广泛的能量来源可以保证摩擦纳米发电机进行持续不断的工作。但是，摩擦电纳米发电机作为未来商业的能源依然面临很多不足之处，而高性能的输出是决定其实际应用的关键问题之一。
3.自相关研究人员发现摩擦纳米发电机以来，全球的很多科学家开始争相报道各种策略来改善teng的性能。在垂直接触分离式摩擦纳米发电机的工作原理中，基于电极材料产生的摩擦电子是感应电荷的来源，周期性的机械能驱动上下两个电极运动，使感应电荷反复经过负载，从而实现了机械能向电能的转变。因此，在基于摩擦起电和感应起电耦合的摩擦纳米发电机中，摩擦电子的产生具有关键作用。所以，采取恰当措施促进摩擦电子产生和转移，引起了越来越多科研工作者的关注与重视。例如，复合材料、静电纺丝、表面处理等各种方式来提高摩擦发电的性能。然而这些材料制备方法不仅制作工艺十分复杂，而且材料的成本很高，这严重阻碍了摩擦纳米发电机的进一步实际应用。
4.众所周知，有机化合物的种类繁多，而且结构可以灵活调控。相比于聚合物和无机材料，有机化合物具有较小的分子质量，更有利于形成较大的能量密度。另外，通过合适的有机反应可以改变有机分子取代基，从而调整有机分子摩擦性能。硝基基团具有很强的吸电子能力，其与苯环的共轭还会增大整个体系的电子离域化程度，从而能够降低电子跃迁的能量，使电子逸出更加容易。因此，携带硝基的有机物可以有效提升摩擦纳米发电机的输出性能。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是提供一种高性能摩擦纳米发电机、制备方法及应用，即制备了一种硝基取代4h-色烯摩擦电极材料，并将其应用到摩擦纳米发电机领域。本发明将一种硝基取代4h-色烯制备成一种发电性能优良的摩擦层电极材料，并与作为对电极材料的聚偏氟乙烯组装成垂直接触式摩擦纳米发电机。最后，将组装成的摩擦纳米发电机进行一系列的实际应用。
6.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种高性能摩擦纳米发电机，采用硝基取代4h-色烯作为摩擦电极材料，采用聚偏氟乙烯作为对电极材料。
7.本发明所述的高性能摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：（1）硝基取代4h-色烯的合成；（2）硝基取代4h-色烯摩擦纳米发电机电极的制备。
8.进一步，所述步骤（1）硝基取代4h-色烯的合成方法如下：将对硝基苯甲醛、丙二腈、1-萘酚、5,5-二甲基-1,3-环己二酮、乙醇和4-二甲氨基吡啶的混合物加入圆底烧瓶中，回流搅拌4 h后，将反应液旋蒸得到粗产品，从乙醇中重结晶得到纯硝基取代4h-色烯。
9.进一步，所述对硝基苯甲醛、丙二腈、1-萘酚、5,5-二甲基-1,3-环己二酮的物质的量之比为1:1:1:1，4-二甲氨基吡啶与对硝基苯甲醛的物质的量之比为0.15:1，以1.0 mmol对硝基苯甲醛为基准，需要乙醇20 ml。
10.进一步，所述步骤（2）摩擦纳米发电机电极的制备方法如下：a、将步骤（1）制得的硝基取代4h-色烯机械研磨0.5 h得到1-4 μm的粉末涂覆在5 cm
×
5 cm的铜片上，然后通过银环氧树脂将铜线固定在铜片的另一侧，作为摩擦发电的电极材料；b、将聚偏氟乙烯溶液旋涂在pi膜上，旋涂时间为120秒，并放在80 ℃烘箱中进行烘干，然后将铜片粘附在涂有聚偏氟乙烯pi膜的另一侧，并用导电银环氧树脂将铜线固定在铜片上，作为摩擦发电的对电极。
11.硝基取代4h-色烯摩擦纳米发电机的应用：本发明采取垂直接触-分离模式的teng进行测试，将有机物粉末和pvdf作为摩擦层测量摩擦电输出性能。铜和kapton分别用作导电层和电荷储存层，并通过一个可调频率的线性马达来模拟环境中的机械能。利用sr570低噪声电流放大器（stanford research system）测试短路电流(isc)，利用2657a高功率系统源表测试输出电压(vo)。采用电化学工作站（zennium-pro 43138）对0.22、1和2.2 μf商用电容器进行充电测试，并通过chi660e b18411a软件获得了100 μf电容的充放电曲线。
12.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明所采用基于有机物的摩擦电极材料的制作方式简单易行，并且相比于聚合物和金属材料成本更加低廉，也更容易批量式生产，更有利于走向市场应用。
13.2、本发明的摩擦纳米发电机在5 hz的工作情况下，其电荷密度与功率密度可达到78.20 μc m-2
和2151.68 mw m-2
。这说明携带硝基的摩擦电材料具有很高的输出性能。
14.3、本发明的摩擦电极材料不仅性能优异，而且稳定性好。在5 hz的工作情况下，短路电流和开路电压分别达到 61.47μa、374.67 v，且保持50,000个工作循环的超强持久稳定性。同时，在8 hz工作的条件下可以点亮1054个商用led灯。
附图说明
15.图1是硝基取代4h-色烯的合成步骤。
16.图2是硝基取代4h-色烯的核磁图谱。
17.图3是涂敷在铜片上的样品颗粒高分辨扫描电镜图。
18.图4 在5 hz工作情况下摩擦纳米发电机的短路电流、电荷密度图。
19.图5 不同频率工作情况下摩擦纳米发电机的短路电流图对比图。
20.图6 在5 hz工作情况下摩擦纳米发电机的开路电压图。
21.图7 不同频率工作情况下摩擦纳米发电机的开路电压对比图。
22.图8 在5 hz工作情况下摩擦纳米发电机的充放电100μf循环图。
23.图9 在5 hz工作情况下摩擦纳米发电机的电功率密度测试图图10 在8 hz工作情况下摩擦纳米发电机的点亮1054个led灯图。
24.图11 在5 hz工作情况下摩擦纳米发电机的短路电流循环稳定性。
25.图12 在5 hz工作情况下摩擦纳米发电机的开路电压循环稳定性。
具体实施方式
26.下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
27.实施例1 携带硝基有机物硝基取代4h-色烯的合成将对硝基苯甲醛（1.0 mmol）、丙二腈（1.0 mmol）、1-萘酚（1.0 mmol）、5,5-二甲基-1,3-环己二酮（1.0 mmol）、乙醇（20 ml）和4-二甲氨基吡啶（15 mmol%）的混合物加入100 ml圆底烧瓶中，回流搅拌4 h后，将反应液旋蒸得到粗产品，从乙醇中重结晶得到纯硝基取代4h-色烯。
28.图2是硝基取代4 h
ꢀ‑
色烯的核磁图谱。yield=98%, yellow solid, mp=178-180 oc. 1h nmr (400 mhz, dmso) δ 8.18 (d, j = 8.6 hz, 2h), 7.46 (d, j = 8.6 hz, 2h), 7.20 (s, 2h), 4.38 (s, 1h), 2.61
ꢀ–ꢀ
2.43 (m, 2h), 2.27 (d, j = 16.1 hz, 1h), 2.12 (d, j = 16.1 hz, 1h), 1.04 (s, 3h), 0.96 (s, 3h).实施例2 基于携带硝基有机物材料摩擦纳米发电机的制备（1）样品电极材料制备使用研钵将上述样品机械研磨0.5 h，并将微米级别（1-4 μm）的粉末涂覆在5 cm
×
5 cm的铜片上，并用洗耳球吹扫样品表面3 min，使样品更加地均匀分散到铜片上。然后通过银环氧树脂将铜线固定在铜片的另一侧，作为摩擦发电的电极材料。
29.（2）对电极材料制备将一定量丙酮，n,n-二甲基乙酰胺和聚偏氟乙烯粉体混合在茄形瓶中，惰性气体保护下，60 ℃加热搅拌溶解2 h形成聚偏氟乙烯溶液。在kw-4a台式矫直机2500 r/min转速下，用胶头滴管将制备的聚偏氟乙烯溶液旋涂在pi膜上，旋涂时间为120秒，并放在80 ℃烘箱中进行烘干。然后将铜片粘附在涂有聚偏氟乙烯pi膜的另一侧，并用导电银环氧树脂将铜线固定在铜片上，作为摩擦发电的对电极。
30.实施例3将制备的摩擦纳米发电机进行相关的摩擦电性能测试1.短路电流测试在室温环境下，利用万至达电机制造有限公司的sutp型号的音圈电机模拟不同频率的机械能。再将两根铜线分别连接在stanford research system 公司生产的sr570型号低噪声电流放大器的两端，采集短路电流信号。单位面积的电荷密度σ由5 hz工作下的时间与电流的曲线积分 () 计算得到。
31.2.开路电压测试在室温环境下，利用万至达电机制造有限公司的sutp型号的音圈电机模拟不同频
率的机械能。再将两根铜线分别连接在tektronix公司生产的2657a型号高功率数字源表的两端，采集开路电压信号。
32.3.对电容器充电测试在室温环境下，利用万至达电机制造有限公司的sutp型号的音圈电机模拟5 hz频率的机械能。再将两根铜线分别连接在整流器上将交流电整合为直流电。最后将整流器上的导线分别连接在海辰华仪器有限公司生产的chi660e b18411a型号电化学工作站的两端，采集对100 μf电容器的充电信号。
33.4.电功率密度测试在室温环境下，利用万至达电机制造有限公司的sutp型号的音圈电机模拟5 hz频率的机械能。再将两根铜线分别连接在stanford research system 公司生产的sr570型号低噪声电流放大器的两端，采集短路电流信号。通过外接1k-1gω不同阻值的负载电阻下测试电流i，并计算单位面积功率w=i2r/s。
34.本发明使用铜片和聚酰亚胺（pi）膜分别用作导电层和电荷储存层，有机物样品粉末材料和聚偏氟乙烯（pvdf）作为摩擦层。本发明的电极材料不仅性能优异，而且稳定性好。在垂直接触分离模式和5 hz的工作情况下，电荷密度与功率密度可达到78.20 μc m-2
和2151.68 mw m-2
。短路电流和开路电压分别达到 61.47 μa、374.67 v，且能在50,000个循环中保持稳定的输出状态，为商业应用打下基础。同时，在8 hz工作的条件下可以点亮1054个商用led灯。
35.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。