[發明專利]一種全纖維素基摩擦納米發電機

有效

• 申請號: 202010129369.8
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111355400B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 聶雙喜;蔡晨晨
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;B01J13/00;D06M13/463;C08J5/18;D06M101/06
• 代理公司: 廣西南寧公平知識產權代理有限公司 45104
• 代理人: 唐漢穎

本發明公開了一種全纖維素基摩擦納米發電機。所述的全纖維素基摩擦納米發電機，是以經陽離子改性的纖維素納米纖絲基氣凝膠膜為摩擦電負性材料，以纖維素納米纖絲基氣凝膠膜為摩擦電正性材料；在所述經陽離子改性的纖維素納米纖絲基氣凝膠膜和纖維素納米纖絲基氣凝膠膜的背面均設有纖維素導電復合電極材料，在所述兩個氣凝膠膜之間形成間隙。本發明的全纖維素基摩擦納米發電機表面電荷量提高10～500％，短路電流提高20～500％，開路電壓提高50～500％。本發明工藝流程短，設備簡單，成本低廉，電輸出性能提升顯著，在柔性可穿戴傳感器件領域有著廣泛應用前景。

技術領域

本發明屬于纖維素類生物質高值化利用與摩擦納米發電機領域，具體是一種全纖維素基摩擦納米發電機。

背景技術

在各種能源收集器件中，摩擦納米發電機(TENGs)已成為一種具有極大發展潛力的自供電設備，它能夠從周圍環境獲取能量的機械運動，如人體的運動能、風能等，這使得它們適合用于便攜式的軟電子設備。此外，TENGs具有輸出電壓高、功率密度大、能量轉換效率高、環境友好、制造成本低等特點。

纖維素是地球上最豐富的天然聚合物，來源廣泛，生物可降解，成本低廉。將纖維素納米纖絲用于摩擦納米發電機的開發，可以將摩擦納米發電機引向一個更加綠色和生態友好的系統，該系統還可以自然降解，可回收，并且具有生物相容性。另一方面，這些優點是目前摩擦電納米發電機設計中使用的普通聚合物所無法比擬的。但天然纖維素納米纖絲的弱極化導致其產生表面電荷的能力有限，通常將其作為摩擦電正性材料。

因而，利用纖維素上豐富的羥基，采用化學反應的方法將具有更強的吸電子基團引入到纖維素納米纖絲中，改變纖維素的摩擦性，制備出天然、可降解和低成本柔性纖維素基摩擦電納米發電機將具有極大發展潛力。

發明內容

本發明的目的在于提供一種全纖維素基摩擦納米發電機，通過對天然纖維素納米纖絲進行化學修飾，賦予天然纖維素納米纖絲吸電子能力，并將其作為摩擦電負性材料，提高摩擦納米發電機的輸出性與穩定性。

本發明所要解決的技術問題，通過以下技術方案予以實現：

一種全纖維素基摩擦納米發電機，以經陽離子改性的纖維素納米纖絲基氣凝膠膜為摩擦電負性材料，以纖維素納米纖絲基氣凝膠膜為摩擦電正性材料；在所述經陽離子改性的纖維素納米纖絲基氣凝膠膜和纖維素納米纖絲基氣凝膠膜的背面均設有纖維素導電復合電極材料，在所述兩個氣凝膠膜之間形成間隙。

所述經陽離子改性的纖維素納米纖絲基氣凝膠膜是以纖維素納米纖絲為基體，利用環氧丙基三烷基氯化銨對纖維素納米纖絲進行化學改性處理得到。

進一步地，所述經陽離子改性的纖維素納米纖絲基氣凝膠膜是由包括以下步驟的方法制備得到：

S1.將環氧丙基三烷基氯化銨添加到纖維素納米纖絲溶液中，60～70℃攪拌4～6h，用去離子水稀釋，洗滌過濾，將產物在65℃條件下進行干燥處理；所述環氧丙基三烷基氯化銨與纖維素納米纖絲的質量比為10％～50％；

S2.將步驟S1得到的經陽離子改性的纖維素納米纖絲配制成溶液，再制備成水凝膠，并經冷凍干燥得到氣凝膠，采用壓力為1～1.5Mpa將氣凝膠壓制成厚度為5～15mm的氣凝膠膜。

進一步地，所述纖維素納米纖絲基氣凝膠膜的制備方法包括：將纖維素納米纖絲配制成溶液，再制備成水凝膠，并經冷凍干燥得到氣凝膠，采用壓力為1～1.5Mpa將氣凝膠壓制成厚度為5～15mm的氣凝膠膜。

優選地，所述纖維素導電復合電極材料為纖維素/聚吡咯導電復合電極材料。

本發明具有以下有益效果：

(1)本發明賦予纖維素納米纖絲吸電子能力，使纖維素納米纖絲成為可替代合成聚合物摩擦電負摩擦材料等強負摩擦材料的材料。