一种摩擦纳米发电机及其制备方法、可穿戴设备技术

本发明专利技术提供了一种摩擦纳米发电机及其制备方法、可穿戴设备。该制备方法包括如下步骤：用静电纺丝法制备聚合物纤维网状膜，其作为电负性摩擦层；制备还原氧化石墨烯溶液，或在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液；通过抽滤方式将还原氧化石墨烯溶液或还原氧化石墨烯杂化溶液负载在聚合物纤维网状膜上，以在聚合物纤维网状膜上形成还原氧化石墨烯膜或还原氧化石墨烯杂化膜，并将其作为电荷增强输出层；制备第二电极层，其同时作为电正性摩擦层；将电荷增强输出层和电负性摩擦层作为一个整体，使其与第二电极层电连接并形成预设间距，从而获得摩擦纳米发电机。由此，极大提高了摩擦纳米发电机的电学输出。

A friction nano-generator, its preparation method and wearable equipment

【技术实现步骤摘要】
一种摩擦纳米发电机及其制备方法、可穿戴设备
本专利技术涉及纳米能源
，尤其涉及一种摩擦纳米发电机及其制备方法、可穿戴设备。
技术介绍
基于摩擦电和静电感应原理的摩擦纳米发电机发展十分迅速，由于其制作工艺简单，材料便宜易得，器件轻便以及转化效率高等特点，使得其成为未来机械发电的一种选择。然而，在纳米发电机可以作为大规模应用的实用绿色电源之前，须通过合理的设计显著改善其性能，包括输出性能和耐久性。而不断寻求提升摩擦纳米发电机输出表现的方法一直以来也是研究人员试图有效收获机械能的目标，实现这一目标的一种途径是材料方面的优化。从材料角度来说，纳米发电机的性能品质因数与摩擦电荷密度的平方成正比，在确定结构得到最大电荷密度的条件下，提高摩擦电荷密度从而提升摩擦纳米电机的输出性能仍有很大的空间，而摩擦电荷密度也是确定输出功率的最重要参数。材料的优化方式除了物理表面工程外，主要是化学表面修饰，化学表面修饰是一种更为直接有效的方法。现有技术中存在获得高性能摩擦纳米发电机的各种化学方法，例如通过掺杂高介电常数纳米粒子改变摩擦电材料的相对介电常数，在材料表面通过离子、分子微粒形成空隙结构，对高分子有机材料进行官能团的改变与修饰等，这些方法都能够用来获得摩擦纳米发电机的性能提升，但由于其高复杂程度、高成本、长生产时间以及低可重复性等相关的问题，实际应用仍然存在一定的限制。因此，研究出一种简单、成本低又能大幅度增加摩擦电荷密度的摩擦材料以满足应用需求有着重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是要解决现有技术中的用于制备摩擦纳米发电机的方法复杂、成本高、生产时间长以及可重复性低的技术问题。本专利技术的另一个目的是要解决现有技术中的摩擦纳米发电机的电学输出低的技术问题。本专利技术的再一个目的是满足当代社会对于便携式可穿戴电子设备的供电需求。特别地，本专利技术还提供了一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：电负性摩擦层，其为利用静电纺丝方法制备而成的聚合物纤维网状膜；电荷增强输出层，其为还原氧化石墨烯膜，或在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化膜，所述电荷增强输出层与所述电负性摩擦层连结在一起；第一电极层，其形成在所述电荷增强输出层的表面上；电正性摩擦层，其同时作为第二电极层；所述电荷增强输出层和所述电负性摩擦层作为一个整体，其与所述第二电极层电连接且具有预设间距，且能够相互接触分离产生电荷；其中，所述电荷增强输出层用于增强所述摩擦纳米发电机的电学输出。可选地，所述聚合物纤维网状膜的原材料为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一种或多种的混合物。可选地，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒，所述半导体纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒。可选地，所述第二电极层的材料为铜或铝。特别地，本专利技术提供了一种上述的摩擦纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：利用静电纺丝方法制备聚合物纤维网状膜，所述聚合物纤维网状膜作为电负性摩擦层；制备获得还原氧化石墨烯溶液，或者在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液；通过抽滤的方式将所述还原氧化石墨烯溶液或所述还原氧化石墨烯杂化溶液负载在所述聚合物纤维网状膜上，以在所述聚合物纤维网状膜上形成还原氧化石墨烯膜或还原氧化石墨烯杂化膜，所述还原氧化石墨烯膜或所述还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层；在所述电荷增强输出层的表面上形成第一电极层；制备获得电正性摩擦层，所述电正性摩擦层同时作为第二电极层；将所述电荷增强输出层和所述电负性摩擦层作为一个整体，使其与所述第二电极层电连接并形成预设间距，从而获得摩擦纳米发电机。可选地，所述利用静电纺丝方法制备聚合物纤维网状膜，包括如下步骤：将质量浓度为8-15％的聚合物分散到溶剂中，获得聚合物前驱体溶液；将所述聚合物前驱体溶液加入针筒，利用注射泵控制注射速度为0.6-0.8mL/h，控制所述针筒的针尖到接收端的距离为10-15cm，以及在所述针尖和所述接收端之间加12-15kV高压，以在所述接收端得到纤维，并随时间累积获得纤维网状膜坯料；将所述纤维网状膜坯料在145-170℃下进行预氧化，从而获得所述聚合物纤维网状膜。可选地，所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一种或多种的混合物。可选地，所述通过抽滤的方式将所述还原氧化石墨烯溶液或所述还原氧化石墨烯杂化溶液负载在所述聚合物纤维网状膜上的步骤中，所抽滤的所述还原氧化石墨烯溶液或所述还原氧化石墨烯杂化溶液的体积为5-20ml。可选地，所述制备获得还原氧化石墨烯溶液，包括如下步骤：提供氧化石墨烯，将所述氧化石墨烯溶解在去离子水中并超声，获得均相溶液；将所述氧化石墨烯的还原剂加入所述均相溶液中进行搅拌混合，从而获得还原氧化石墨烯溶液。可选地，所述制备获得在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液，还包括如下步骤：向所述还原氧化石墨烯溶液中加入金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的前驱体溶液和所述前驱体溶液的还原剂，并搅拌，从而获得负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液。特别地，本专利技术还提供了一种可穿戴设备，包括上述的摩擦纳米发电机，用于为所述可穿戴设备供电。根据本专利技术的方案，利用抽滤的方式将电荷增强输出层负载在电负性摩擦层上，从而在电正性摩擦层与电负性摩擦层接触分离时产生更大的电学输出，由此极大提高摩擦纳米发电机的电学输出。并且，该制备方法简单、成本低、生产时间短，且可重复性非常高。电荷增强输出层可以极大地提高摩擦纳米发电机的电学输出。由上述制备方法制备获得的摩擦纳米发电机从制备到应用对设备要求不高，成本低，并且摩擦纳米发电机工作机理简单，工作过程无危险，效率高，有助于工业化推广，具有显著的经济效益和社会效益。此外，利用静电纺丝法制备获得的聚合物纤维网状膜可以作为抽滤时的滤膜，同时还可以作为电负性摩擦材料。并且该静电纺丝法合成的材料的成分含杂质少、稳定无污染，且在制备和组装过程无需任何模板和复杂的后处理步骤。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1示出了根据本专利技术一个实施例的摩擦纳米发电机的示意性结构图；图2示出了根据本专利技术一个实施例的摩擦纳米发电机的制备方法的示意性流程图；图3示出了根据本专利技术一个实施例的制备聚合物纤维网状膜的方法流程图；图4示出了根据本专利技术一个实施例的聚偏氟乙烯纤维网状膜的扫描电子显微镜图；图5示出了根据本专利技术一个实施例的聚偏氟乙烯前驱体溶液即纺丝溶液的体积与摩擦纳米发电机的电学输出关系的曲线对比图；图6示出了根据本专利技术一个实施例的被抽滤的还原氧化石墨烯溶液的体积和浓度分别与摩擦纳米发电机的电学输出关系的曲线对比图；图7示出了根据本专利技术一个实施例的无电荷增强输出层、还原氧化石墨烯膜作为电荷增强输出层以及还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层时摩擦纳米发电机的电学输出对比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：电负性摩擦层，其为利用静电纺丝方法制备而成的聚合物纤维网状膜；电荷增强输出层，其为还原氧化石墨烯膜，或在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化膜，所述电荷增强输出层与所述电负性摩擦层连结在一起；第一电极层，其形成在所述电荷增强输出层的表面上；电正性摩擦层，其同时作为第二电极层；所述电荷增强输出层和所述电负性摩擦层作为一个整体，其与所述第二电极层电连接且具有预设间距，且能够相互接触分离产生电荷；其中，所述电荷增强输出层用于增强所述摩擦纳米发电机的电学输出。

【技术特征摘要】
1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：电负性摩擦层，其为利用静电纺丝方法制备而成的聚合物纤维网状膜；电荷增强输出层，其为还原氧化石墨烯膜，或在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化膜，所述电荷增强输出层与所述电负性摩擦层连结在一起；第一电极层，其形成在所述电荷增强输出层的表面上；电正性摩擦层，其同时作为第二电极层；所述电荷增强输出层和所述电负性摩擦层作为一个整体，其与所述第二电极层电连接且具有预设间距，且能够相互接触分离产生电荷；其中，所述电荷增强输出层用于增强所述摩擦纳米发电机的电学输出。2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述聚合物纤维网状膜的原材料为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一种或多种的混合物。3.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒，所述半导体纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒。4.一种如权利要求1-3中任一项所述的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：利用静电纺丝方法制备聚合物纤维网状膜，所述聚合物纤维网状膜作为电负性摩擦层；制备获得还原氧化石墨烯溶液，或者制备获得在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液；通过抽滤的方式将所述还原氧化石墨烯溶液或所述还原氧化石墨烯杂化溶液负载在所述聚合物纤维网状膜上，以在所述聚合物纤维网状膜上形成还原氧化石墨烯膜或还原氧化石墨烯杂化膜，所述还原氧化石墨烯膜或所述还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层；在所述电荷增强输出层的表面上形成第一电极层；制备获得电正性摩擦层，所述电正性摩擦层作为第二电极层；将所述电荷增强输出层和所述电负性摩擦层作为一个整体，使其与所述第二电极层电连接并形成预设间距，从而获得摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小平，孙旭辉，文震，姜洪雪，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32