新型功能摩擦纳米发电机的构建与应用

新型功能摩擦纳米发电机的构建与应用

能源短缺和环境污染成为当今世界面临的两大难题,以高新技术发展可再生清洁能源,逐步成为重要的解决策略。摩擦纳米发电机的发明推动了环境机械能有效收集,是可再生能源领域的前沿研究课题,并在自驱动应用领域开展了广泛研究。在信息时代,自驱动传感器的研发促进物联网朝着微型化、节能化、智能化方向发展。自驱动系统是摩擦纳米发电机另一个主要应用方向,且如何采取节能减排的清洁手段来治理环境污染尚待研究。本论文围绕环境机械能的高效收集技术方面做了一系列研究,设计和构建了几种新型功能摩擦纳米发电机,从材料选择、结构改进和复合集成等角度出发优化器件的输出性能、耐用性及环境适应性,可分别作为人体运动能和风能等能源的高效收集器件。同时结合纳米发电机的工作原理,深入研究了在自驱动传感方向的应用,实现了快响应、高精度、多功能主动式传感,在推动物联网的节能型发展方面取得重要进展。此外,构建了基于摩擦起电原理的自驱动空气净化器,利用自身高电压输出实现高效去除颗粒物,解

决了能量消耗大的问题,缩短了净化周期,并展示了在工业、交通和日常生活等环境空气清洁的应用前景。本论文主要研究了以下几个方面:设计和构建了一种自回复摩擦纳米发电机,利用卷曲弹簧优化器件结构,降低回复过程的机械能消耗。该纳米发电机的输出电压高达252 V,输出电流为56 μA,最大输出功率为0.52 mW/cm2。通过气流驱动工作,研究了气体因素对输出性能的影响并分析了原因。该纳米发电机可作为自驱动多功能传感器,实现湿度和风速传感,探测范围宽为

20%～80%,响应/回复快约18 ms/80 ms。还组装了无线安全监测系统,运动触发产生电信号驱动警报指示灯,实现无源可视化监测。这一工

作拓宽了纳米发电机在自驱动传感器上的应用范围,包括环境监测、

安全防卫、应急响应等领域。设计和构建了一种柔性阵列式摩擦纳米发电机,采用低维导电纤维作电极,具有高柔性和高分辨率的优势。基于表面摩擦静电荷感应的原理,用作自驱动压力传感器感知外部触碰

情况,无需外界提供电能。分辨率高达127 ×127 dpi,是生物皮肤机械刺激感受器的10倍,响应快约68 ms,灵敏度为0.055 nA/KPa。利

用其高柔性可适应弯曲工作表面,在人体皮肤和甲壳虫外壳上进行了

压力感知研究。还可用于高分辨率压力传感,实现物体实时运动轨迹

追踪,交叉阵列电极的设计大幅减少测试通道数目。这种柔性阵列式

摩擦纳米发电机在电子皮肤、人机交互和可穿戴设备领域有广阔的应用前景。设计和构建了一种摩擦-压电-热释电多效应耦合纳米发电机,具有三明治薄膜结构。通过表面修饰处理,器件表现出优异的抑菌特性。可用作自驱动多功能触觉传感器,利用摩擦-压电效应和热释电效应的响应时间差,提出修正公式可分辨耦合信号,实现压力和温度的

同时传感。研究了在弯曲表面工作时对不同温度物体的触碰感知,还

分析了空间分辨传感的性能。这种多效应耦合纳米发电机对于能量收集器件的设计具有借鉴价值,能够应用在人机界面、智能机器人、假

肢医疗和健康防护等领域。设计和构建了一种由摩擦纳米发电机和热电发电机高效集成的复合纳米发电机,同时收集气体中机械能和热能。利用两者优势互补,该复合纳米发电机可同时输出531 V高电压和

148.7 mA高电流。探究了结构尺寸和气体环境因素对复合纳米发电机输出性能的影响。通过电源管理系统处理后,器件输出5.2 V恒定电压直流电,可作为稳定供电电源满足小型电子器件的额定电压需求,包括点亮LED灯、为手机和电容器充电。有望在大规模工业废气能源二次利用方面开展广泛的应用。设计和构建了基于摩擦起电原理的两种空气颗粒物净化器。自驱动静电除尘系统利用摩擦纳米发电机收集气体能量,为静电除尘过程提供74 Hz/400 V高频高压电。研究了空气颗粒物初始浓度、尺寸和净化时间因素对净化性能的影响。当初始浓度为671μg/m3,工作6 h后PM2.5净化效率为92.1%。超轻瞬时摩擦静电空气净化器具有多通道三维空间结构,依靠泡沫小球摩擦起电产生高压静电场,原位瞬时去除气体颗粒物,缩短了净化周期。当

PM2.5浓度高达1192 μg/m3时,净化效率为96.3%。应用在汽车尾气净化装置上,净化效率高达97.9%。还设计了便携式空气净化器,主动提供洁净气体,提高佩戴者的呼吸舒适度。作为新型的空气净化手段,其应用场景广泛,例如工业废气过滤、交通尾气净化及随身空气净化等。