基于銅納米線-銅網分級結構的介電-電極復合材料及其在摩擦納米發電機中的運用

Alisa 5年前 (2019-02-20) 4659瀏覽

【引言】

近來，在各種針對環境中可再生能源的回收技術中，摩擦納米發電機（TENG）受到了越來越多的關注。自其問世以來，摩擦納米發電機已經被廣泛的應用于回收環境中的各種機械能并將其轉化為電能。通常研究人員通過設計和制備具有復雜微納結構的高分子材料薄膜作為摩擦材料以提高發電機性能。組裝時，通常將高分子摩擦材料粘貼在平坦的鋁鉑或者銅鉑上。因此，高分子摩擦材料和電極之間的結合往往比較弱。另一方面，研究發現在通過表面具有微納結構的摩擦材料增強摩擦生電效應的同時，還需要增強納米發電機本身的電荷儲存能力以確保產生的電荷能盡可能的被納米發電機儲存利用。這是由于摩擦納米發電機本身可以看成是一個理想電源與電容器的串聯。而我們知道，對于平板電容而言，增強其電容量有以下幾種方式，一是提高介電材料的介電常數；二是減小兩電極之間距離；三是增加電極的表面積。目前為止，針對前面兩點，摩擦納米發電機的研究人員開發了具有高介電常數的新型高分子材料；或者受到外力時會被壓縮以至厚度減小的具有多孔結構的高分子材料以實現提高電容能力的目的。但是，對于提高電極材料表面積對摩擦納米發電機性能影響的研究還比較少。

【圖文介紹】

近日， 韓國科學技術院（KAIST）的Il-Kwon OH教授課題組在Nano?Energy 上發表了題為 “Integrated dielectric-electrode layer for triboelectric nanogenerator based on Cu nanowire-mesh hybrid electrode” 的研究論文。本文以商業銅網為基礎材料在上面原位生長Cu(OH)2納米線然后將其退火轉化為CuO納米線，最后將其還原為Cu納米線。這樣就得到了負載Cu納米線的銅網材料。接著將聚二甲基硅氧烷（PDMS）噴灑到該材料上作為摩擦層材料。該介電-電極復合材料的優勢在于成本低利于大面積制備。同時，該材料具有高機械強度，其粗糙表面有利于摩擦生電效應。而且該材料的電極具有較大表面積，有利于提升器件電容能力，進一步提高發電機性能。最后，該介電-電極復合材料被應用到了不同工作模式的納米發電機中顯示了其廣泛的運用前景。

圖1.

a）PDMS包覆的結構的銅納米線-銅網介電-電極復合材料的制備步驟；

b）基于該介電-電極復合材料的垂直接觸分離模式TENG；

c）基于該介電-電極復合材料的單電極模式TENG；

d）基于該介電-電極復合材料的風力驅動TENG。

圖2.

a）到 d）?各制備步驟產物的SEM圖片；

e）個步驟產物的XRD圖譜；

?f）PDMS包覆的銅納米線-銅網復合材料的SEM圖片及局部放大圖。

圖3.

a）與?b) ?基于PDMS 包覆的不同電極材料的單垂直接觸分離模式的TENG 的開路電壓與短路電流對比；

c) 基于PDMS 包覆的不同電極材料的單垂直接觸分離模式的TENG 的電荷密度對比；

d）PDMS 包覆的不同電極材料的切面SEM圖片；

e) 與 f) 基于PDMS 包覆的銅納米線-銅網TENG的輸出電壓電流和輸 出功率對外部負載電阻的依賴性；

g) 基于PDMS 包覆的銅納米線-銅網TENG的輸出電壓電流對作用頻率 的依賴性（作用力為30 N）;

h) 基于PDMS 包覆的銅納米線-銅網TENG的輸出電壓電流對作用力的依賴性（作用頻率為 10 Hz）;

i) 基于PDMS 包覆的銅納米線-銅網TENG的輸出功率與常見基于PDMS為摩擦材料的TENG的性能對比;

圖4.

a）基于PDMS 包覆的銅納米線-銅網的單電極模式TENG光學照片；

b）到 d）將該單電極模式TENG從20 cm高處自由落體，并運用產生的電能點亮400只串聯的LED；

e) 與 f) 將該單電極模式TENG置于衣物口袋中，通過拍打口袋外部產生的電能點亮100只串聯的LED；

g）與 h）運用該單電極模式TENG對電容充電，進一步用電容為電子表供電。

圖5.

?

a）基于PDMS 包覆的銅納米線-銅網的風能驅動TENG示意圖與實物照片；

b) 基于PDMS 包覆的銅納米線-銅網的風能驅動TENG 的開路電壓與短路電流；

c) 該風能驅動TENG 的開路電壓與短路電流隨著風速的變化；

d) 該風能驅動TENG的輸出電壓電流以及功率對外部負載電阻的依賴性（風速為16 m/s）；

e) 該風能驅動TENG的輸出功率與常見風能驅動TENG輸出功率的性能對比。

【小結】

綜上所述，本工作提出了一種介電-電極復合材料的制備方法。首先在銅網基底上原位生長Cu(OH)2?納米線，進一步通過退火還原等步驟得到Cu納米線。用PDMS將Cu納米線-Cu網復合結構包裹起來得到介電-電極復合材料。該材料表面繼承了銅網的粗糙結構有利于摩擦生電。同時該材料的電極具有較大的比表面積增強了PDMS與電極的結合強度也增強了該材料的電容能力，有利于進一步提高摩擦納米發電機的穩定性和輸出性能。有該介電-電極復合材料可運用于垂直接觸分離模式、單電極模式以及風力驅動模式的納米發電機中，并顯示了較好的性能。比如，通過將大面積的（11 cm × 11cm）單電極模式TENG從20 cm 高度自由落體，產生的電能可以點亮400只串聯的LED。而基于該材料的風力驅動TENG在風速為10.6 m/s?時開路電壓和短路電流分別為150 V 和 45 μA。

文章鏈接：Integrated Dielectric-Electrode Layer for Triboelectric Nanogenerator based on Cu Nanowire-Mesh Hybrid Electrode?(Nano Energy,?2019, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.02.022)

本文由韓國科學技術院（KAIST）的Il-Kwon OH教授課題組供稿，材料人編輯部Alisa編輯。

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