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基于静电纺 PVDF/GO 复合纳米纤维的摩擦纳米发电机的制备和输出性能


1摘要:
为了提高基于聚偏氟乙烯(PVDF)的摩擦纳米发电机(TENG)的输出性能,本研究采用静电纺丝法制备了PVDF/GO(氧化石墨烯)复合纳米纤维,并组装成垂直接触-分离式TENG。研究结果显示,当GO质量分数为0.06%时,基于PVDF/GO复合纳米纤维的TENG具有最佳输出效率,其输出电压约为350V,短路电流约为28μA。在阻抗匹配条件下,最大峰值功率约为9.66mW,其功率密度约为3.86W/m2。此外,该TENG还能为120个发光二极管(LED)供电。本研究为TENG的工作原理提供了理论支撑,并为能量收集领域的应用前景提供了有力支持。

 

2研究背景

关于摩擦纳米发电机(TENG)在能量收集领域的应用及其性能提升。随着物联网时代的到来,智能电子设备的应用日益广泛,因此需要开发可再生、可持续以及分布式的电源。尽管电池被视为微型传感器的可靠电源,但其存在有限的寿命、定期维护和环境污染等问题。因此,寻找可持续的能源收集技术已成为一项紧迫的任务。

在众多能源收集技术中,纳米发电机因其能够从环境中获取无处不在的机械能并将其转换为电能而备受关注。其中,摩擦纳米发电机(TENG)具有能量转换效率高、可靠性强和绿色环保等突出优点,符合当今社会发展理念。因此,TENG在能量转换和传感器等方面具有极大的应用价值。

 

3技术亮点

基于聚偏氟乙烯(PVDF)的摩擦纳米发电机(TENG)的制备与性能优化:采用静电纺丝法制备PVDF/GO(氧化石墨烯)复合纳米纤维,以此构建垂直接触-分离式TENG。这种方法可以有效地提高TENG的输出性能,为高效能量收集器的制备提供了新的思路。

GO质量分数对TENG输出性能的影响研究:通过调整GO的质量分数,可以进一步优化TENG的输出性能。当GO质量分数为0.06%时,基于PVDF/GO复合纳米纤维的TENG具有良好的输出效率,其输出电压约为350V,短路电流约为28μA,在阻抗匹配条件下,最大峰值功率约为9.66mW,其功率密度约为3.86W/m2。这为TENG的性能优化提供了实验依据。

利用COMSOL软件对TENG的输出性能进行模拟仿真:通过模拟仿真,可以深入探究TENG在不同极板距离下的电势和电能密度的变化规律,为TENG的工作原理提供理论支撑。这为TENG的设计和优化提供了重要的理论指导。

TENG的实际应用前景:基于PVDF/GO复合纳米纤维制备的TENG具有良好的输出性能,能够为120个发光二极管(LED)供电,表明其在能量收集领域具有潜在的应用前景。这为TENG的进一步推广和应用提供了可能。

静电纺丝被用来制备PVDF/GO复合纳米纤维。GO的加入可以提高复合纤维的导电性,从而增强TENG(摩擦纳米发电机)的输出性能。这是因为GO具有良好的导电性和电化学性能,可以有效地传递和增强电荷的产生和转移。利用静电纺丝制备高性能复合纳米纤维,为TENG的制造和优化提供了重要的材料基础。

 

4结论

本文主要研究提高基于聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维的摩擦电纳米发电机(TENG)输出性能。当在PVDF中掺入适量的氧化石墨烯(GO)时,可以进一步提高PVDF/GO复合纳米纤维膜的表面电荷密度,从而进一步提高TENG的输出性能。然而,当GO的质量分数超过一定值时,会导致PVDF/GO复合纳米纤维的直径分布区间变大,增加平均直径,减小TENG的有效接触面积,进而降低TENG的输出性能。因此,在实际应用中,需要综合考虑TENG的制备工艺、结构优化以及摩擦起电材料的选择,以获得具有高表面电荷密度的摩擦起电层,进一步提高TENG的输出效率。鉴于静电纺丝工艺制备的纳米纤维具备更好的柔韧性和透气性,由PVDF/GO 复合纳米纤维和棉纤维组成的 TENG 比其他类型的 TENG 在可穿戴电子产品方面具有更大的应用前景。

首发地址:https://link.cnki.net/urlid/31.1865.N.20240228.0955.001

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