一种低成本、环保和高性能的纤维素基摩擦电纳米发电机

技术领域

本发明涉及清洁化制浆造纸领域，具体涉及一种低成本、环保和高性能的纤维素基摩擦电纳米发电机。

背景技术

随着对可持续和可再生能源需求的增加，摩擦电纳米发电机(TENGs)作为一种新型的能量收集装置最近引起了人们的关注。摩擦电材料是TENGs的核心部件，大多数性能优异的TENGs材料是不可再生的合成聚合物，随着经济的发展，环保工作已经成为关系到制浆造纸工业生存和发展的重大问题。因此，迫切需要寻找绿色、低成本的材料来替代TENGs中的不可降解聚合物。纤维素纳米纤维(CNFs)是一种极具应用前景的摩擦电材料。然而，与合成聚合物相比，CNFs表现出较弱的摩擦电极性。

发明内容

本发明为了进一步提高纤维素基摩擦电纳米发电机的输出性能，提供了一种低成本、环保和高性能的纤维素基摩擦电纳米发电机。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种低成本、环保和高性能的纤维素基摩擦电纳米发电机，以氟化乙烯丙烯共聚物薄膜作为负摩擦电材料，以PDA/CNFs薄膜作为正摩擦电材料，将PDA/CNFs薄膜、氟化乙烯丙烯共聚物薄膜分别固定在上、下电极材料上，并将上、下电极材料分别固定在上、下支撑板上，导线与上下两个电极材料连接；

所述PDA/CNFs薄膜的制备包括以下步骤：将盐酸多巴胺溶解于三(羟甲基)氨基甲烷缓冲液中，形成PDA溶液；将纤维素纳米纤维均匀分散在PDA溶液中，在室温下黑暗中搅拌，反应完成后，用去离子水清洗，并加入去离子水配制成PDA/CNFs混悬液，将PDA/CNFs混悬液进行真空过滤，得到湿PDA/CNFs膜，干燥成型后得到PDA/CNFs薄膜。

优选地：所述电极材料为铜箔。

优选地：所述支撑板为亚克力板。

优选地：所述PDA溶液的浓度为2mmol/L；盐酸多巴胺与纤维素纳米纤维的加入量为每38.0mg的盐酸多巴胺对应加入0.5g的纤维素纳米纤维。

优选地：所述三(羟甲基)氨基甲烷缓冲液的pH值为8.5。

优选地：所述PDA/CNFs混悬液中的纤维素纳米纤维的质量百分数为4.0wt％；

优选地：所述PDA/CNFs薄膜的厚度为60μm。

优选地：在室温下黑暗中搅拌时间为12h。

优选地：干燥成型的工艺为：用成型机在70℃下干燥15min，将得到的薄膜放置于烘箱中，在70℃下干燥2h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益结果：

(1)聚多巴胺(PDA)上含有大量的氨基，给电子能力强，且PDA的导电性在摩擦电材料中可起到协同作用，加速电子转移。本发明在PDA溶液中对CNFs进行改性，盐酸多巴胺通过氧化自聚合生成聚多巴胺纳米粒子并能均匀粘附在CNFs表面，并采用真空过滤法制备PDA/CNFs薄膜，利用该薄膜制备的摩擦电纳米发电机与纯纤维素基摩擦电纳米发电机相比，本发明的摩擦电纳米发电机的输出性能显著提高，开路电压Voc和短路电流Isc最大输出值分别达到了185V(相比纯纤维素基摩擦电纳米发电机的开路电压提高了189％)和15.7μA(相比纯纤维素基摩擦电纳米发电机的短路电流提高了528％)。

(2)本发明制备的PDA无毒，可生物降解，并具有较好的生物相容性，用于改性材料仍然具有环保材料的品质。本发明选用纤维素纳米纤维作为原料，原料成本低，易得，是环境友好型材料，无毒无害，有利于环境保护和废弃物处理。

(3)本发明的制备方法，操作简单，成本低。

附图说明

图1是本发明的一种低成本、环保和高性能的纤维素基摩擦电纳米发电机的结构示意图。

附图标记说明：1-氟化乙烯丙烯共聚物薄膜，2-PDA/CNFs薄膜，3-电极材料，4-支撑板，5-导线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

如附图1所示，本发明的一种低成本、环保和高性能的纤维素基摩擦电纳米发电机，是以氟化乙烯丙烯共聚物薄膜1作为负摩擦电材料，以PDA/CNFs薄膜2作为正摩擦电材料，将PDA/CNFs薄膜2、氟化乙烯丙烯共聚物薄膜1分别固定在上、下电极材料3上，并将上、下电极材料3分别固定在上、下支撑板4上，导线5与上下两个电极材料连接。

实施例1

本发明的低成本、环保和高性能的纤维素基摩擦电纳米发电机的制备方法如下：

1.PDA/CNFs薄膜的制备：

将38.0mg盐酸多巴胺溶解于100mL、0.1mmol/L的三(羟甲基)氨基甲烷缓冲液(Tris-HCl缓冲液，pH＝8.5)中，形成2mmol/L的PDA溶液。在PDA溶液中对CNFs进行改性。首先，将0.5g CNFs(绝干重量)完全分散在PDA溶液中，在室温下在黑暗中搅拌12h。反应完成后，用去离子水清洗样品，加入去离子水配制成PDA/CNFs混悬液，将得到的PDA/CNFs混悬液倒进配有微孔过滤膜的G5砂芯漏斗中。真空过滤后，取出湿PDA/CNFs膜，用成型机在70℃下干燥15min。然后，将得到的薄膜放置于烘箱中，在70℃下干燥2h，干燥成型后得到PDA/CNFs薄膜。

制备不同浓度(制备PDA/CNFs薄膜时PDA/CNFs混悬液中CNFs的质量百分数wt.％＝

1.0～5.0％)和厚度(50～80μm)的PDA/CNFs薄膜。在制备不同厚度的PDA/CNFs薄膜时，通过改变CNFs定量来控制薄膜厚度，并用测厚仪测量薄膜厚度。

2.TENGs的制备和表征：

采用亚克力板(PMMA)作为TENGs的上下极支撑板。在上下支撑板上粘贴导电铜箔作为电极材料。将氟化乙烯丙烯共聚物薄膜(FEP薄膜)作为TENGs的负摩擦电材料，将PDA/CNFs薄膜作为TENGs的正摩擦电材料，将PDA/CNFs薄膜和FEP薄膜切割成相同尺寸，用导电双面胶带分别粘贴在上下两个导电铜箔的表面，并将正负极导线分别连接到上下两个电极材料上。将正负极导线连接到静电计上，对本发明的TENGs进行接触分离发电测试，测试TENGs的输出性能。

在工作频率为2Hz、工作压力为30kPa的条件下，对本发明的TENGs(其中PDA/CNFs薄膜的尺寸为4.0cm×4.0cm，厚度为60μm，制备PDA/CNFs薄膜时PDA/CNFs混悬液中CNFs的质量百分数为4.0wt％)进行了测试。本发明TENGs的输出性能显著提高，开路电压Voc和短路电流Isc最大输出值分别达到185V(相比对比例1纯纤维素基摩擦电纳米发电机的开路电压提高了189％)和15.7μA(相比对比例1纯纤维素基摩擦电纳米发电机的短路电流提高了528％)。

作为对比，在工作频率为2Hz、工作压力为30kPa的条件下，对TENGs(其中PDA/CNFs薄膜的尺寸为4.0cm×4.0cm，厚度为60μm，制备PDA/CNFs薄膜时PDA/CNFs混悬液中CNFs的质量百分数分别为1.0wt％和5.0％)进行了测试。质量百分数为1.0wt％时：TENGs的开路电压Voc和短路电流Isc最大输出值分别为95V和8μA。质量百分数为5.0wt％时：TENGs的开路电压Voc和短路电流Isc最大输出值分别为155V和15μA。

作为对比，在工作频率为2Hz、工作压力为30kPa的条件下，对TENGs(其中PDA/CNFs薄膜的尺寸为4.0cm×4.0cm，厚度分别为50μm和80μm，制备PDA/CNFs薄膜时PDA/CNFs混悬液中CNFs的质量百分数为4.0wt％)进行了测试。厚度为50μm时：TENGs的开路电压Voc和短路电流Isc最大输出值分别为180V和12.3μA。厚度为80μm时：TENGs的开路电压Voc和短路电流Isc最大输出值分别为177V和12.2μA。

对比例1

纯纤维素基摩擦电纳米发电机的制备方法如下：

1.CNFs薄膜的制备：

在CNFs悬浮液(绝干重0.5g)中加入去离子水，将样品稀释至质量百分数为0.2wt.％，真空过滤制得CNFs薄膜。

2.TENGs的制备和表征：

采用亚克力板(PMMA)作为TENGs的上下极支撑板。在上下支撑板上粘贴导电铜箔作为电极材料。将氟化乙烯丙烯共聚物薄膜(FEP薄膜)作为TENGs的负摩擦电材料，将CNFs薄膜作为TENGs的正摩擦电材料，将CNFs薄膜和FEP薄膜切割成相同尺寸，用导电双面胶带分别粘贴在上下两个导电铜箔的表面，并将正负铜导线分别连接到上下两个电极材料上。将正负极导线连接到静电计上，对TENGs进行接触分离发电测试，测试TENGs的输出性能。

在工作频率为2Hz、工作压力为30kPa的条件下，对TENGs(其中CNFs薄膜的尺寸为4.0cm×4.0cm,厚度为60μm)进行了测试。纯纤维素基摩擦电纳米发电机的开路电压Voc和短路电流Isc的输出值分别为64V和2.5μA。