抗湿型纳米摩擦发电机的研究

目前，针对静电纺TENG的研究主要集中在材料的筛选，但只凭材料本身性质难以达到理想高输出性能［134，137］。研究表明，表面氨基修饰可有效提高材料表面电势，使其在接触摩擦过程中获得更多正电荷［138-139］；此外，在高湿条件下，氨基能够产生可移动离子，离子的转移能有效补偿由于部分电子逸散而造成的电荷损失［140］，从而保持TENG在不同湿度下的电输出能力。

图11-50　（a）NM-TENG在不同负载下的电流—电压曲线；（b）NM-TENG在不同负载下的功率密度曲线；（c）NM-TENG的耐久性能；（d）在人体驱动下NM-TENG的开路电压；（e）在人体驱动下NM-TENG的短路电流；（f）在人体驱动下NM-TENG的累积电量

作者制备了一种具有多层结构的抗湿型摩擦纳米发电机（HR-TENG），其制备流程如图11-51所示。首先将醋酸纤维素（CA）/PU水解制备亲水性CA/PU纳米纤维膜，然后将其浸渍到聚丙烯酰胺（PAM）溶液中对其进行氨基化改性获得CA/PU—NH2纳米纤维膜。随后将CA/PU—NH2纳米纤维膜和PVDF纳米纤维膜分别附着于铜电极上，最后以PMMA为支撑平板，将两层纤维膜分别黏附在PMMA上［141］。

图11-51　HR-TENG的结构示意图

在摩擦电正性材料制备方面，CA纳米纤维由于酯基的部分水解而携带了负电荷［142-143］，PAM因氨基的质子化作用而携带正电荷，由于静电吸引作用，PAM将沉积在CA纳米纤维表面，从而实现对复合纳米纤维膜表面的氨基修饰，其改性流程示意图如图11-52（a）所示。同时PU纳米纤维的引入可解决CA纳米纤维膜机械性能不足的缺陷，大幅提升复合纤维膜的力学性能。CA/PU纤维膜经过NaOH水解后接触角从118°急剧下降到51°，氨基改性后的CA/PU-NH2纤维膜的接触角由51°变为67°。PVDF纳米纤维作为电负性材料，均匀地分布在另一摩擦层表面，其纤维平均直径为314nm，水接触角为133°，如图11-52（b）所示。

图11-52　（a）CA/PU复合纤维膜的制备流程示意图和相应SEM图；（b）PVDF纤维膜的SEM图

高湿条件下，高聚物表面导电性增加，电荷易散失［144］。为探究环境湿度对HRTENG电输出性能的影响，将环境湿度分别调整至30%、50%、70%和90%，采用模态激振器、静电计和多功能数据采集卡进行电输出性能测试。测试结果如图11-53（a）～（c）所示，在90%的高湿度条件下，PAM改性后TENG的短路电量、开路电压及短路电流分别为16nC、46V、3μA，而未改性的TENG短路电量、开路电压及短路电流分别为5nC、13V、1μA。通常来说，PAM分子链中含大量亲水基团，极易从空气中吸收水分，从而增大电导率促使电荷更快逸散，但是实验结果表明，即使在高湿条件下（RH=90%），HR-TENG电输出性能明显优于未经表面氨基修饰的TENG。HRTENG在高湿条件下的增强机制如图11-53（d）所示：HR-TENG高湿条件下产生可移动离子，可移动离子的转移补偿了由于部分转移电子逸散而造成的电荷损失［140，144］，CA/PU-NH2纤维膜吸收空气中的水分，在表面形成薄水层促使PAM发生水合作用产生质子化氨基和可移动氢氧根离子［140］。在外力作用下，CA/PU-NH2纤维膜与PVDF纤维膜相互挤压，两层纤维膜表面吸附的水层相互接触形成水桥，促使可移动氢氧根离子从CA/PU-NH2纤维膜转移至PVDF纤维膜中，有效提高了两层纤维膜的电荷密度，进而提升HR-TENG的电输出性能［144］。

图11-53　表面氨基修饰前后的TENG在不同湿度下的电输出性能：（a）短路电流，（b）开路电压和（c）电量；（d）HR-TENG在高湿条件下可移动离子的转移机制

为了测试HR-TENG的功率密度，采用可变电阻箱接入HR-TENG两端，分别测试电阻箱R（Ω）两端电压U（V）和通过电阻箱的电流I（A），其功率P（W）［145］即为：(www.xing528.com)

如图11-54（a）和（b）所示，随着负载电阻的增加，电流逐渐降低，电压逐渐增加，当负载达到10MΩ时，HR-TENG的瞬时输出功率达到最大，最大的功率密度为1.296W/m2，此输出功率能足够驱动较小的电子设备。此外，通过施加3Hz外力进行持续测试探究了HR-TENG的稳定性，结果如图11-54（c）所示，该TENG在连续工作12000次后，其电压输出值没有明显下降。因此，经表面氨基修饰的静电纺纤维HRTENG具有优良的电输出稳定性，可满足实际使用需求。

为测试HR-TENG是否能有效收集人体机械能，采用手掌拍打驱动HR-TENG，如图11-54（d）～（f）所示，HR-TENG可有效收集手掌运动的机械能，其短路电流、开路电压及短路电量分别可达30μA、350V、135nC。

图11-54　（a）HR-TENG在不同负载下的电流—电压曲线；（b）HR-TENG在不同负载下的功率密度曲线；（c）HR-TENG的耐久性能（RH=55%）；（d）在手掌驱动下HR-TENG的短路电流；（e）在手掌驱动下HR-TENG的开路电压；（f）在手掌驱动下HR-TENG的电量