CN107086267B - 基于有序纤维基膜的ipmc能量收集器 - Google Patents
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Abstract
基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器，涉及能量收集器。设有全氟磺酸树脂有序纤维柱、聚二甲基硅氧烷弹性壳体、金属电极和阳离子溶液。所述全氟磺酸树脂有序纤维柱外部包裹聚二甲基硅氧烷弹性壳体，聚二甲基硅氧烷弹性壳体外形呈阶梯状，全氟磺酸树脂有序纤维柱内部充满离子溶液，全氟磺酸树脂有序纤维柱内部上下两端分别与金属电极相连。输出功率提高。通过使Nafion基膜纤维化，使离子迁移具有方向性，缩短了阳离子的迁移路径，提高了基膜的质子电导率；可以承受较大负载力，负载频率也得到提高。结构简单，易于实现；可用作微型能量收集装置，环保、无噪声、便携。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集器，尤其是涉及基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器。
背景技术
离子聚合物金属复合物(IPMC)是在全氟磺酸树脂(Nafion)表面镀上金属铂电极，形成一种“三明治”结构的智能材料；IPMC在一定频率(<100HZ)的负载变形下，会在其厚度方向产生电压和电流。
基于IPMC这种力电输出特性，国内外研究人员已开展IPMC的能量收集应用研究，目前的研究主要集中于探索适合的能量收集模式，如美国纽约大学Porfiri[1]课题组将IPMC贴于柔性旗摆上，通过水流带动旗帜摆动使IPMC产生变形来研究IPMC的能量输出特性，但是目前IPMC功率输出普遍较低，因此研究学者们致力于如何提高IPMC的能量输出。
现有的IPMC基膜材料主要选用全氟磺酸树脂基膜，该基膜主要通过流延工艺和浇铸工艺进行制备。
参考文献：
[1]Giacomello A.,Porfiri M.Energy harvesting from flutterinstabilities of heavy flags in water through ionic polymer metal composites[C]//SPIE Smart Structures and Materials Nondestructive Evaluation and HealthMonitoring.International Society for Optics and Photonics,2011:797608-7976089。
发明内容
本发明的目的是提供基于有序纤维基膜的离子聚合物金属复合物(IPMC)能量收集器。
本发明设有全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱、聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性壳体、金属电极和阳离子溶液。
所述全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱外部包裹聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性壳体，聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性壳体外形呈阶梯状，全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱内部充满离子溶液，全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱内部上下两端分别与金属电极相连。
当全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱受压变形时，纤维柱内阳离子发生迁移，导致纤维柱内局部阳离子浓度发生改变，在纤维柱两端产生电势差。
所述弹性壳体材料包裹于纤维柱四周，弹性壳体可反复变形且不易损坏，解决了Nafion纤维柱变形回弹性差的问题。
所述金属电极与纤维柱两端直接相连，用于外部电路的连接，通过导线连接外部设备，实现能量收集过程。
现有的全氟磺酸树脂基膜的内部通道错综复杂不利于离子的传输，因此本发明提出采用有序纤维基膜制备IPMC能量收集器，利于IPMC内部离子的传输，提高IPMC的能量输出。
本发明的优点在于：
(1)相比于传统的IPMC器件，输出功率提高。本发明通过使Nafion基膜纤维化，使离子迁移具有方向性，缩短了阳离子的迁移路径，提高了基膜的质子电导率；
(2)由于IPMC工作过程需要水分，现有IPMC能量收集应用主要局限在水环境中，本发明采用纤维封装方式，实现IPMC能量收集在空气环境中的应用；
(3)相比于传统的IPMC器件，由于采用弹性壳体，本发明可以承受较大负载力，负载频率也得到提高；
(4)本发明结构简单，易于实现；可用作微型能量收集装置，环保、无噪声、便携。
附图说明
图1为本发明实施例的结构及尺寸参数。
具体实施方式
本发明基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器实施例如图1所示。
本发明设有Nafion有序纤维柱1、PDMS弹性壳体2、铂电极3以及氯化锂溶液4。能量收集器中心为Nafion有序纤维柱1，纤维柱直径4mm，高5mm，Nafion纤维柱外部包裹PDMS弹性壳体2，弹性壳体2外形呈阶梯状，总高5mm，阶梯上端直径6mm，下端直径9mm，下端高3mm。纤维柱1上下两端与铂电极3相连，内部充满氯化锂溶液4。铂电极3与纤维柱1上下两端直接相连，通过导线连接外部设备，实现能量收集。
所述的Nafion有序纤维柱1采用静电纺丝方法制得。电纺溶液为Nafion与聚氧化乙烯(PEO)的共混溶液，其浓度为99％，在电压4kV、极间距50mm、供液速度150μl/h的条件下，电纺制得Nafion有序纤维基膜。
所述的PDMS弹性壳体2采用质量比为25︰1的基体液与固化剂混合物，浇筑形成纤维柱的弹性外壳，此比例下制成的PDMS壳体弹性适中，工作时驱动外力相对较小。同时，由于PDMS本身是疏水材料，可以保持纤维柱中水分减缓流失。
所述的铂电极3通过化学镀的方法，将铂氨溶液在纤维柱两端还原生成铂电极，由于铂电极3直接通过化学反应生成，保证了铂电极3与纤维柱1的良好接触且不易脱落。二次化学还原镀的过程如下：
1、主化学还原镀：
1)超声清洗：将PDMS弹性壳体2包裹的Nafion纤维柱1超声清洗30min，以去除纤维柱端面上附着的杂质。
2)浸泡铂铵溶液：配制0.01mol/L的[Pt(NH3)4]Cl2溶液(摩尔质量为334g/mol)，称取32mg铂铵粉末，将铂铵粉末溶解到去离子水中，配制成10ml铂铵溶液。将Nafion纤维柱1置于铂铵溶液中浸泡24h。
3)配制还原剂：称取2g NaBH4晶体，配制成40ml质量分数为5％的NaBH4溶液。
4)主化学镀过程：将恒温水浴锅预热到40℃。用镊子夹取纤维柱置于含180ml去离子水的烧杯中，向烧杯中滴加1ml氨水使溶液呈弱碱性，使用电动搅拌器低速搅拌，并同时进行水浴加热。每隔30min向烧杯中滴加2ml NaBH4溶液并同时升高温度5℃，直至温度升高到60℃。当温度升高到60℃时，一次性滴加20ml NaBH4溶液，至少保持2h反应时间，使Nafion纤维中的Pt离子能够充分还原出来沉积在Nafion纤维柱1的两端。
5)超声清洗：将完成主还原反应镀的Nafion纤维柱1放入稀硫酸溶液中浸泡1h，超声清洗30min。
2、次化学还原反应镀：
称取20mg[Pt(NH3)4]Cl2粉末，将其溶解到60ml去离子水中，配制成铂铵溶液，并向溶液中滴加0.5ml氨水。配制40ml质量分数为5％的氢氯羟胺(NH2OH·HCl)溶液和20ml体积分数为20％的水合肼(N2H4·1.5H2O)溶液。将完成主化学还原反应的纤维柱1放入到40℃的铂铵溶液中，使用电动搅拌器低速搅拌。每隔30min向溶液中加入2ml氢氯羟胺溶液和1ml水合肼溶液，并升高温度5℃，直至温度升高到60℃。最后一次加入20ml氢氯羟胺溶液和10ml水合肼溶液，在60℃反应2h，当反应结束后，先将器件在稀硫酸中浸泡1h，再在去离子水中超声清洗30min，去除杂质。
所述的能量收集器中的氯化锂溶液4通过将电极制备完成后的能量收集器浸泡入浓度为1mol/L氯化锂溶液，静置24h后获得。
通过上述方法形成的IPMC能量收集器，当PDMS弹性壳体2两端受到外力作用时，弹性壳体2发生形变，使Nafion纤维柱1体积发生变化，沿锂离子沿纤维柱1方向发生迁移，进而在IPMC能量收集器两端产生电压；铂电极3通过导线连接在外部设备上，实现能量收集与储存。
Claims (1)
1.基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器，其特征在于设有全氟磺酸树脂有序纤维柱、聚二甲基硅氧烷弹性壳体、金属电极和阳离子溶液；
所述全氟磺酸树脂有序纤维柱外部包裹聚二甲基硅氧烷弹性壳体，聚二甲基硅氧烷弹性壳体外形呈阶梯状，全氟磺酸树脂有序纤维柱内部充满离子溶液，全氟磺酸树脂有序纤维柱内部上下两端分别与金属电极相连；
当全氟磺酸树脂有序纤维柱受压变形时，纤维柱内阳离子发生迁移，导致纤维柱内局部阳离子浓度发生改变，在纤维柱两端产生电势差；
所述弹性壳体材料包裹于纤维柱四周，弹性壳体可反复变形且不易损坏，解决全氟磺酸树脂有序纤维柱变形回弹性差的问题；
所述金属电极与纤维柱两端直接相连，用于外部电路的连接，通过导线连接外部设备，实现能量收集过程。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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