论文部分内容阅读
摩擦纳米发电机(TENG)是一种基于纳米材料制备的能量转换器件。TENG可以从人体和周围环境中获取普遍存在的机械能,包括动能、水波、风能等绿色、可持续能源,并将其转换为可移动电子设备所需的电能。过去几年中,关于TENG的研究急剧增长。目前TENG输出性能虽然较高,但是透明度和柔性并不理想。因此,高输出、高透明的柔性TENG器件是目前主要的研究方向。导电电极作为TENG的关键元件,柔性透明导电电极是实现TENG的高透光率、高输出性能以及良好的机械性能的重要保障。基于铜纳米线(Cu NWs)薄膜的电极在光学、电学以及机械等方面表现出优越的性能,尤其是基于高长径比的Cu NWs。本文以Cu NWs为基,结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备柔性透明电极,最终用于制备高输出的柔性、透明TENGs。本文采用水热法在120℃下反应4个小时,获得平均直径为37 nm,长度约82μm均匀分散的弯曲Cu NWs,长径比高达2300。实验采用单一变量法则,确定了水/甘油比例、油胺体积、油胺/油酸比例、还原剂浓度、时间和温度等参数对Cu NWs形貌的影响。水和甘油作为共溶剂提高铜胺络合物的溶解度,是合成超长Cu NWs的关键因素。油胺和油酸作为表面活性剂吸附在(100)面,促成一维Cu NWs结构。通过调节油胺和油酸的比例可以有效抑制Cu NWs的团聚,实现良好的分散性。适量的还原剂浓度能够保证Cu2+被充分还原。时间和温度是保障Cu NWs完全反应的重要因素,合理控制时间和温度可以减少纳米棒及颗粒的产生。基于所合成的Cu NWs,本文制备了以PDMS为基底的Cu NWs/PDMS非嵌入式电极、Cu NWs/PDMS嵌入式电极。嵌入式和非嵌入式两种结构均有较好的透光率和导电性。非嵌入式电极方阻为64.31Ωsq-1时,透光率高达89.96%;嵌入式电极方阻为71.24Ωsq-1时,透光率达到87.74%。后者由于大部分Cu NWs埋入PDMS中,对导电性能贡献值有所降低,但是抗氧化性能得到明显提高。将两种结构的电极同时暴露在空气中,嵌入式电极放置一周后,方阻仅增加了0.3倍;放置28天,方阻增加1.8倍。非嵌入式电极放置10天后基本不导电。Cu NWs/PDMS嵌入式电极在循环弯折一千次之后,方阻仅增加1.2倍,弯曲角度为180°。长度拉伸50%之后,方阻增加0.8倍。基于所制备的Cu NWs/PDMS嵌入式电极,设计出简易、高效的单电极摩擦纳米发电机。电极面积为2 cm×2 cm时,输出电压高达45 V。将其固定在鼠标表面,通过点击鼠标可获得6 V的输出电压。把器件串联到无电源的闭合回路,仅通过摩擦电极可同时点亮近50盏LED。使用不同力度按压器件,可获得三种不同峰值的电压输出曲线。在Cu NWs/PDMS嵌入式电极的启发下,将PDMS和Cu NWs直接混合搅拌,旋涂成PDMS@Cu NWs薄膜,相当于在PDMS中掺杂了导电物质Cu NWs。Cu NWs均匀分散在PDMS之中,复合薄膜内部结构相当于无数个平行板电容器。薄膜结合两个金属电极,形成三明治结构的双电极摩擦纳米发电机。通过改变薄膜厚度和掺入的Cu NWs含量改变电容,增加有效转移电荷,最终提高开路电压。厚度为180 nm时,薄膜输出电压达100 V。加入0.006g Cu NWs,输出性能最佳,电压高达100 V。