一种适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机及其制备方法与应用，属于摩擦纳米发电机技术领域。本发明专利技术的摩擦纳米发电机以表面经氧基团、氟基团或氮基团修饰的高聚物为摩擦层，在高湿度下，摩擦层表面的基团能够与环境中的水分子形成氢键，使基团周围的电子云密度平均化，降低摩擦层的能量，从而使水分子参与摩擦起电，由于水分子在摩擦起电过程易失去电子带正电，而摩擦层在摩擦过程也是失电子带正电的材料，因此两者会发生叠加效应，使摩擦层‑水分子整体的正电性增强，从而增大输出，起到抗湿效果，能够在高湿环境下保持较高的电输出，应用于环境耗散能量收集、湿度预警或湿度传感领域。且制备方法简单、易操作。

A friction nano-generator based on biofilm material suitable for use in high humidity environment and its preparation method and Application

The invention provides a friction nano-generator based on biofilm material suitable for use in high humidity environment, a preparation method and application thereof, belonging to the technical field of friction nano-generator. The friction nano-generator uses the polymer modified by oxygen, fluorine or nitrogen groups on the surface as the friction layer. Under high humidity, the groups on the surface of the friction layer can form hydrogen bonds with the water molecules in the environment, so that the electron cloud density around the groups can be averaged, and the energy of the friction layer can be reduced, so that the water molecules can participate in the friction electrification process, because the water molecules are easy to electrify in the friction process. Losing the positive charge of electrons, and the friction layer is also the material of losing the positive charge of electrons in the friction process, so the superposition effect will occur between the two, which will enhance the positive charge of the friction layer and the water molecule as a whole, thus increasing the output, playing a humidity-resistant effect, and can maintain a high electrical output in the high humidity environment, which can be applied in the field of environmental dissipated energy collection, humidity warning or humidity sensing. The preparation method is simple and easy to operate.

【技术实现步骤摘要】
一种适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机及其制备方法与应用
本专利技术涉及摩擦纳米发电机
，尤其涉及一种适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机及其制备方法与应用。
技术介绍
近年来，由于煤炭、石油、天然气等常规非可再生能源的大量开发，在全球范围内已造成能源危机，其中电能的危机尤为严重。为了缓解能源危机，新能源的开发迫在眉睫。新能源指传统能源之外的各种能源形式，包括太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能、核聚变能等等。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视，其中，摩擦纳米发电机的研究和应用在近些年备受关注。摩擦纳米发电机(TENG)是一种微型发电机，它能依靠摩擦点电势的充电泵效应，把极其微小的机械能转化为电能。此种发电机在电子产品、环境监测以及医疗设备制造等领域具有巨大的应用潜力。自第一台摩擦纳米发电机问世以来，由于其来源广泛、成本低廉、输出性可靠等优点，越来越受到人们的关注。然而，由于摩擦纳米发电机容易受到环境湿度的影响而降低输出，其应用受到一定的限制。据实验数据显示，实验环境湿度从10％RH增加到90％RH后，常规聚合物材料的固-固摩擦纳米发电机的输出电流和输出电压降低了5～7倍，输出的降低严重影响了固-固摩擦纳米发电机的应用。例如，人在跑步的时候用来收集人体手臂摆动摩擦能的摩擦纳米发电机，在人体大量流汗的时候几乎不能使用，原因是汗水附着在摩擦纳米发电机的摩擦层上降低了输出；用来收集风能的风车摩擦纳米发电机在大雾天或者大雨天不能使用，除非对其进行封装，原因是环境湿度太大，输出太低；南方多雨季节，环境湿度普遍增大，固-固摩擦纳米发电机不能使用；工厂中用来检测气体、温度、湿度等的固-固摩擦纳米发电机类的传感器在高湿度下灵敏度降低，所以工厂车间中必须严格控制湿度，增加了生产成本。现有技术中有将摩擦纳米发电机进行封装来减小环境湿度的影响，但是这一方法存在以下缺点：工艺繁琐，进行封装的容器必须是透明、阻水、高强度的材料，例如有机玻璃、硬塑料等；对于某些特殊应用场合难以达到，例如某些传感器件要求摩擦发电机的体积必须要小，而进行封装后，整个摩擦纳米发电机的体积必然变大，难以符合要求；封装后，检测灵敏度降低，由于摩擦生热等原因的存在，产生的热量对摩擦纳米发电机的输出产生影响，导致检测灵敏度的降低。因此，提供一种高性能的耐湿摩擦纳米发电机是一个具有挑战性的工作。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机及其制备方法与应用。本专利技术提供的摩擦纳米发电机具有优异的抗高湿效果，能广泛应用于环境耗散能量收集、湿度预警或湿度传感领域。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机，包括摩擦层电极和对摩层电极，所述摩擦层电极包括层叠设置的第一金属电极层和摩擦层；所述对摩层电极包括层叠设置的第二金属电极层和对摩层；所述第一金属电极层和第二金属电极层分别连接导线；所述摩擦层电极的摩擦层与所述对摩层电极的对摩层相对设置；所述摩擦层的材质为表面经氧基团、氟基团或氮基团修饰的高聚物；所述对摩层的材质为高分子材料；所述高聚物包括淀粉、纤维素、海藻酸钠、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、糊精、普鲁兰多糖、海藻胶或明胶蛋白。优选地，所述高分子材料包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚酰亚胺。优选地，所述摩擦层和所述对摩层的厚度独立地为0.1～2.0mm。优选地，所述第一金属电极层和所述第二金属电极层的材质独立地包括铜、铂、铝、铁、导电玻璃或石墨烯。优选地，所述第一金属电极层和所述第二金属电极层的厚度独立地为0.1mm。优选地，所述导线的材质包括铜。本专利技术还提供了上述技术方案所述适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：制备膜层状表面经氧基团、氟基团或氮基团修饰的高聚物，即摩擦层；在所述摩擦层的一侧贴上第一金属电极层，并引出导线，得到摩擦层电极；将高分子材料溶解后涂膜，得到对摩层；在所述对摩层的一侧贴上第二金属电极层，并引出导线，得到对摩层电极。优选地，所述摩擦层的制备方法，包括以下步骤：将高聚物成膜，得到高聚物膜层；在所述高聚物膜层的一面接枝氧基团、氟基团或氮基团，得到所述摩擦层。优选地，所述摩擦层的制备方法包括以下步骤：对高聚物接枝氧基团、氟基团或氮基团，经成膜，得到摩擦层。本专利技术还提供了上述技术方案所述适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机或所述制备方法得到的适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机在环境耗散能量收集、湿度预警或湿度传感领域中的应用。本专利技术提供了一种适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机，包括摩擦层电极和对摩层电极，所述摩擦层电极包括层叠设置的第一金属电极层和摩擦层；所述对摩层电极包括层叠设置的第二金属电极层和对摩层；所述第一金属电极层和第二金属电极层分别连接导线；所述摩擦层电极的摩擦层与所述对摩层电极的对摩层相对设置；所述摩擦层的材质为表面经氧基团、氟基团或氮基团修饰的高聚物；所述对摩层的材质为高分子材料；所述高聚物包括淀粉、纤维素、海藻酸钠、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、糊精、普鲁兰多糖、海藻胶或明胶蛋白。本专利技术的摩擦纳米发电机以表面经氧基团、氟基团或氮基团修饰的高聚物为摩擦层，在高湿度下，摩擦层表面的基团能够与环境中的水分子形成氢键，氢键的形成使基团周围的电子云密度平均化，降低摩擦层的能量，从而使水分子参与摩擦起电，由于水分子在摩擦起电过程中容易失去电子而带正电，摩擦层在摩擦过程中也是能够失电子而带正电的材料，因此两者会发生叠加效应，使摩擦层-水分子整体的正电性增强，从而增大输出，起到高湿度阻抗的效果。而且，环境湿度越大，该摩擦纳米发电机的输出越大，能量转化率越高，使摩擦纳米发电机可以在高湿度环境中正常工作。另外，该摩擦纳米发电机的摩擦层为生物膜材料，原材料来源广泛，自然界中随处可见，价格低廉(淀粉每吨3～5万，纤维素每吨6～7万，明胶蛋白每吨5～7万)，对环境没有任何损害，埋到土壤中一年之内可自然降解，是一种绿色、环保、可再生的新材料。自然环境中任何以固体摩擦形式耗散的能量，都可以用该摩擦纳米发电收集，例如人体运动时，手臂与身体的摩擦能；走路或跑步时，鞋底与地面的摩擦能；风吹动风车转动时的摩擦能等等。同时，该摩擦纳米发电机尤其适用于湿度高的环境中，如大雾天、大雨天、湿度较高的南方地区、工厂车间等等，环境湿度越高，该摩擦纳米发电机的灵敏度越高，越能高效的收集环境中的摩擦能。进一步地，本专利技术以可再生的高聚物(包括淀粉类、纤维素类、蛋白质类、多糖类)作为摩擦层，以易得电子的高分子材料(包括聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯等)作为对摩层，组装摩擦纳米发电机，实现高湿度下的耗散能量收集。附图说明图1为本专利技术提供的摩擦纳米发电机的结构示意图；图中，1为对摩层，2为摩擦层，3为第二金属电极层，4为第一金属电极层，5为导线。具体实施方式下面结合图1对本专利技术提供的适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机，包括摩擦层电极和对摩层电极，所述摩擦层电极包括层叠设置的第一金属电极层和摩擦层；所述对摩层电极包括层叠设置的第二金属电极层和对摩层；所述第一金属电极层和第二金属电极层分别连接导线；所述摩擦层电极的摩擦层与所述对摩层电极的对摩层相对设置；其特征在于，所述摩擦层的材质为表面经氧基团、氟基团或氮基团修饰的高聚物；所述对摩层的材质为高分子材料；所述高聚物包括淀粉、纤维素、海藻酸钠、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、糊精、普鲁兰多糖、海藻胶或明胶蛋白。

【技术特征摘要】
1.一种适合在高湿度环境中使用的基于生物膜材料的摩擦纳米发电机，包括摩擦层电极和对摩层电极，所述摩擦层电极包括层叠设置的第一金属电极层和摩擦层；所述对摩层电极包括层叠设置的第二金属电极层和对摩层；所述第一金属电极层和第二金属电极层分别连接导线；所述摩擦层电极的摩擦层与所述对摩层电极的对摩层相对设置；其特征在于，所述摩擦层的材质为表面经氧基团、氟基团或氮基团修饰的高聚物；所述对摩层的材质为高分子材料；所述高聚物包括淀粉、纤维素、海藻酸钠、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、糊精、普鲁兰多糖、海藻胶或明胶蛋白。2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述高分子材料包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚酰亚胺。3.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层和所述对摩层的厚度独立地为0.1～2.0mm。4.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一金属电极层和所述第二金属电极层的材质独立地包括铜、铂、铝、铁、导电玻璃或石墨烯。5.根据权利要求1或4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一金属电极层和所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王道爱，王楠楠，郑有斌，周峰，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62