【摘 要】
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水能发电技术借助简单的装置,以水蒸发和湿气流作为驱动力,实现液态或气态水分子的动能向电能转化,在构建自供电装置中发挥着重要作用,成为近几年的研究热点。由于无机氧化物材料具有优异的化学和热稳定性,成为一类具有前景的水能发电材料。然而,目前制备的无机氧化物材料缺乏柔性,孔道结构不稳定,电学性能较差,输出电压均低于0.5 V,限制了该材料制备的器件的大规模应用。静电纺丝技术制备的无机氧化物纳米纤维具有稳
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水能发电技术借助简单的装置,以水蒸发和湿气流作为驱动力,实现液态或气态水分子的动能向电能转化,在构建自供电装置中发挥着重要作用,成为近几年的研究热点。由于无机氧化物材料具有优异的化学和热稳定性,成为一类具有前景的水能发电材料。然而,目前制备的无机氧化物材料缺乏柔性,孔道结构不稳定,电学性能较差,输出电压均低于0.5 V,限制了该材料制备的器件的大规模应用。静电纺丝技术制备的无机氧化物纳米纤维具有稳定结构的微纳米孔道,能提高器件的输出电压性能;此外,该技术制备的纳米纤维膜具备优异的柔性,有利于实现在可穿戴领域的应用。本文采用静电纺丝技术制备柔性无机氧化物纳米纤维膜,以提升水能发电性能为最终目的,从材料的选择、发电方式以及电学性能的优化等方面进行探索。通过静电纺丝制备柔性二氧化硅(Si O2)和二氧化钛/二氧化锆(TiO2/Zr O2)无机氧化物纳米纤维膜并对其分别进行水蒸发驱动和湿气流驱动的水能发电性能测试,水能发电机的输出性能得到了提高。具体如下:(1)以溶胶-凝胶静电纺丝技术和煅烧工艺制备柔性Si O2纳米纤维用于水蒸发驱动发电,通过对Si O2纳米纤维的形貌和表面电势进行表征,探究了不同纤维直径、纤维膜厚度、水蒸发速率、溶质种类以及电极类别对器件的输出电压影响。结果表明,器件的发电性能主要归因于水蒸发引发的电动效应和上、下电极间形成离子浓度差的协同作用,其最佳输出电压达到0.48 V。此外,我们通过器件的串联和并联提高电压和电流的输出,实现给商用数字计算器供电。(2)采用溶胶-凝胶静电纺丝技术和煅烧工艺制备了柔性TiO2/Zr O2复合纳米纤维基发电器件用于湿气流驱动发电,表征了TiO2/Zr O2复合纳米纤维的微观形貌和柔性性能,并探究了其柔性成型的机理。TiO2/Zr O2纳米纤维膜具有良好的光催化能力,能够分解有机物大分子颗粒,从而实现了器件的自清洁性能,有利于提高器件的使用寿命。(3)为了进一步优化器件的输出性能,我们通过调控Ti4+与Zr4+复合摩尔比例和煅烧工艺参数制备TiO2/Zr O2复合纳米纤维膜,研究了不同参数下的纤维膜的输出电压性能。结果表明,当Ti4+与Zr4+复合摩尔比例为3:1、煅烧温度为600℃时,器件的输出电压从0.58 V提高到0.8 V,达到了无机氧化物发电器件中的最高电压。通过器件的串联和并联进一步提高了器件的输出电压,且在经受1000次的弯曲测试后,纤维膜仍保持良好的柔性,电压的变化率在15%以下,有良好的性能稳定性,实现了集机械柔韧性、高性能特点于一体,进一步扩展了纳米发电机的应用领域。
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