KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 固液界面摩擦生电机制与利用研究 | |
| Alternative Title | 无 |
张小龙
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| Thesis Advisor | 王道爱 |
| 2018-05-22 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 固液摩擦生电 润湿性 摩擦纳米发电机 自供能传感 Solid-liquid triboelectrification Wettability Triboelectric nanogenerator Self-Powered sensor |
| Abstract | 摩擦生电是人类生活中一种常见现象，经常被认为是一种负效应，是需要避免的，而基于摩擦生电和静电感应原理的摩擦纳米发电机（TENG）的出现，为人们收集能源和设计自供能传感提供了可能。本论文综述了摩擦过程中有关摩擦电的物理化学现象以及TENG最近的研究进展，并以固液摩擦生电为主要研究对象，从摩擦表面结构设计、摩擦表面功能化修饰以及器件结构设计三个角度出发，设计并制备多种固液TENG，然后以此为基础研究表面功能化和表面结构对固液摩擦生电的影响，探索固液摩擦生电的机制，并研究固液摩擦生电在传感、检测等方面的应用。主要研究内容和结论如下： 1.固液界面摩擦生电设计及其在水中有机物检测中的应用。受洒水车和输油车启发，以聚四氟乙烯（PTFE）商业滤膜和水为摩擦副材料，设计制备了水-固摩擦纳米发电器件。基于摩擦生电和静电感应原理，该固液TENG可以将环境中的振动能转变为电能。研究了水的填充体积、振动频率和振动振幅、水的极性等因素对固液摩擦生电的影响。通过向水中加入甲醛或酒精以降低水的极性改变固液摩擦生电信号，并据此设计制备水中有机物检测的自供能传感器件。结果显示，随着甲醛和酒精浓度的增加，固液TENG输出也逐渐降低，并与水中有机物浓度呈一定线性关系。固液摩擦纳米发电机的设计可用于水溶液中甲醛和酒精的自供能检测。 2.表面化学组成对固液摩擦纳米发电输出的影响。通过自组装的方法（SAMs）对聚合物基摩擦表面进行化学修饰，研究了摩擦表面的组成和润湿性对摩擦生电的影响及相关机制。结果表明，修饰亲水的单分子层会恶化固液TENG输出；修饰疏水的单分子层会提高固液TENG的输出。固固TENG和固液TENG都可以用来自供能检测多巴胺的浓度，但相比于固固TENG，固液TENG有更高的灵敏度和选择性。 3.表面结构对固液摩擦纳米发电输出的影响。用热压法制备了不同结构（微米结构、纳米结构和微纳米分级结构）的聚合物聚丙烯（PP）材料，并通过氟化修饰得到不同结构的疏水摩擦副电极材料。水滴的压缩实验表明，微米结构的疏水性不稳定，而分级结构具有更稳定疏水性和更稳定的输出性能。值得注意的是，与固固TENG不同，基于微米结构的固液TENG，其的输出在摩擦运动过程中不断降低。其原因归结为在固液反复的摩擦作用下，诱导固液界面的接触状态从Cassie状态变为Wenzel状态，致使超疏水失效。而具有微纳米复合的分级结构则不同，其分级结构中纳米结构可以固定三相接触线，使其具有稳定的超疏状态的固液界面，从而有助于维持较高的附加压力和较大的固液界面接触面积。因此，微纳米复合的分级结构会提高固液TENG的输出。 4.基于U形管的摩擦纳米发电设计及其在能量收集和压力传感领域的应用。首次把固液摩擦生电和U形管压力计结合到一起，制备了一种新型的U形摩擦纳米发电机（U-TENG）。这个器件可以无损的把复杂机械能转化为静压能，从而避免外界机械运动与U-TENG直接接触。此U-TENG可被惯性力和空气流驱动，用以收集机械能或设计自供能传感。结果表明，对于惯性力驱动，U-TENG的输出受振动频率和振幅影响，与振动振幅呈线性关系，并在共振频率下有最大输出电压20V和最大输出电流400nA。对于空气流驱动，U-TENG的输出与压力呈现好的线性关系，并可据此设计自供能压力传感器，该传感器件具有对湿度不敏感的特性。同时，U-TENG也可用以收集一些复杂变形的机械能如挤压、弯曲和扭转等，从而避免复杂的机械运动对U-TENG的摩擦层和摩擦电极损坏。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25286 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 张小龙. 固液界面摩擦生电机制与利用研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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