CN109111579B

CN109111579B - 一种摩擦纳米发电机用蚕丝蛋白气凝胶及其制备方法和摩擦纳米发电机

Info

Publication number: CN109111579B
Application number: CN201810993781.7A
Authority: CN
Inventors: 米皓阳; 经鑫; 刘跃军; 童立生
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Suzhou Shensai New Materials Co.,Ltd.
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2038-08-29
Also published as: CN109111579A

Abstract

本发明涉及纳米新能源领域。本发明公开了一种摩擦纳米发电机用蚕丝蛋白气凝胶的制备方法和一种基于蚕丝蛋白和聚偏二氟乙烯多孔气凝胶的摩擦纳米发电机。本发明中蚕丝蛋白气凝胶与聚偏二氟乙烯气凝胶制备方法简单，易于操作，制备得到的蚕丝蛋白气凝胶具有良好的失电子能力，制备得到的聚偏二氟乙烯气凝胶得电子能力好。使用蚕丝蛋白气凝胶与聚偏二氟乙烯气凝胶组装得到的摩擦纳米发电机单位面积输出功率高，输出性能稳定。

Description

一种摩擦纳米发电机用蚕丝蛋白气凝胶及其制备方法和摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及纳米新能源技术领域，更具体的，涉及一种摩擦纳米发电机用蚕丝蛋白气凝胶及其制备方法和摩擦纳米发电机。

背景技术

纳米发电机可将生活中和自然界的机械能转化为电能，是近年来新兴的一种可持续能源再生技术。相比传统压电纳米发电机，摩擦纳米发电机具有高能量转化率、输出功率，高灵敏度，高适应性，和低成本等优势，因而受到了广泛的重视。摩擦纳米发电机的工作原理是：基于两种具有不同电子吸附能力材料接触时产生的电荷转移作用，在两种材料分离时产生电势差，从而导致纳米发电机外接电路中的电子流动形成电流，进而实现机械能向电能的转化。

因此，影响摩擦纳米发电机性能的重要因素是摩擦纳米发电机中使用材料在接触时转移电荷的能力。而材料电荷转移的能力一方面取决于材料本身的得电子和失电子能力，另一方面取决于材料的表面结构和微观结构。目前，常用的柔性摩擦静电材料中，具有较强得电子能力的电负性材料较多，而具有较强失电子能力的电正性材料却十分匮乏。而三维多孔材料具有轻量化、低成本、高比表面积和表面粗糙度的特点，应用于摩擦纳米发电机中可有效提高其单位体积的电荷密度。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种摩擦纳米发电机用蚕丝蛋白气凝胶。该蚕丝蛋白气凝具有良好的失电子能力，且比表面积易于调控。

本发明的另一目的在于提供一种摩擦纳米发电机用蚕丝蛋白气凝胶的制备方法。该制备方法工艺过程简单，操作简便，制备得到的蚕丝蛋白气凝胶性能较好。

本发明的再一目的在于提供一种基于蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶的摩擦纳米发电机。该摩擦纳米发电机单位面积输出功率高，输出性能稳定。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种摩擦纳米发电机用蚕丝蛋白气凝胶的制备方法，具体包括以下制备步骤：

S1.将蚕丝蛋白配置成一定浓度的溶液后保存，在丙酮或乙醇和干冰浴中冷冻后再进行预冻处理；

S2.将预冻后的溶液冷冻干燥获得蚕丝蛋白气凝胶，将获得的蚕丝蛋白气凝胶压缩成薄膜。

进一步地，步骤S1所述溶液的浓度为1％～4％；所述保存的温度为4℃。

进一步地，步骤S1所述冷冻时间为10分钟；所述预冻的温度为-40℃，所述预冻时间为溶液达到完全冻结。

进一步地，步骤S2所述冷冻干燥的温度为-50～-80℃，所述冷冻干燥的时间为3天；所述薄膜的厚度为0.2mm。

一种如所述制备方法制备得到的摩擦纳米发电机用蚕丝蛋白气凝胶。

一种摩擦纳米发电机，包括所述蚕丝蛋白气凝胶，所述蚕丝蛋白气凝胶为摩擦纳米发电机的正极材料。

进一步地，所述摩擦纳米发电机的负极材料为聚偏二氟乙烯气凝胶。

进一步地，所述聚偏二氟乙烯气凝胶具体制备步骤为：

Y1.使用溶剂溶解聚偏二氟乙烯配置成一定浓度的聚偏二氟乙烯溶液，将配置聚偏二氟乙烯溶液涂覆在玻璃表面，将涂覆有聚偏二氟乙烯溶液的玻璃板浸泡在水中即获得多孔结构的聚偏二氟乙烯；

Y2.将步骤Y1获得的多孔结构聚偏二氟乙烯干燥后即得聚偏二氟乙烯气凝胶。

进一步地，步骤Y1所述溶剂为二甲基甲酰胺、丙酮、四氢呋喃、二甲亚砜或二甲基乙酰胺的其中任意一种；所述聚偏二氟乙烯溶液浓度为5％～10％。

进一步地，步骤Y1所述涂覆有聚偏二氟乙烯溶液的玻璃板浸泡在水中的时间为1分钟。

与现有技术相比，有益效果是：

本发明采用冷冻干燥方法制备了用作摩擦纳米发电机的正极材料的纯蚕丝蛋白气凝胶，制备方法简单易操作，制备的蚕丝蛋白气凝胶为三维多孔结构，且具备比较高的孔隙率，有较强的失电子能力和电正性，比表面积易于调控，具有轻量化、低成本、高比表面积和表面粗糙度的特点。

本发明中聚偏二氟乙烯气凝胶制备方法简单，易于操作，得到的聚偏二氟乙烯气凝胶具有高孔隙率、高比表面积和较强的得电子能力。

本发明中采用纯蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机单位面积输出功率高，性能优良，输出性能稳定。

附图说明

图1是实施例1使用2％蚕丝蛋白溶液制备的蚕丝蛋白气凝胶扫描电子显微镜照片；

图2是实施例2使用1％蚕丝蛋白溶液制备的蚕丝蛋白气凝胶扫描电子显微镜照片；

图3是实施例3使用4％蚕丝蛋白溶液制备的蚕丝蛋白气凝胶扫描电子显微镜照片；

图4是实施例1中制备的聚偏二氟乙烯气凝胶的扫描电子显微镜照片；

图5为本发明提供的摩擦纳米发电机的结构示意图；

附图说明：1-集电器一，2-负极材料，3-硅胶，4-正极材料，5-集电器二，6-电流引线；

图6是实施例2中使用1％浓度的蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机输出电压图；

图7是实施例2中使用1％浓度的蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机输出电流图；

图8是实施例1中使用2％浓度的蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机输出电压图；

图9是实施例1中使用2％浓度的蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机输出电流图；

图10是实施例3中使用4％浓度的蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机输出电压图；

图11是实施例3中使用4％浓度的蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机输出电流图；

图12是实施例1中使用2％浓度的蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机通过整流电路外接不同电容器时的充电性能；

图13是实施例1中使用2％浓度的蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机长期工作中的输出电压稳定性；

图14是实施例1中使用2％浓度的蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机外接不同电阻时的输出能量密度和输出电压。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

本实施例提供一种摩擦纳米发电机用蚕丝气凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.配置浓度为2％的蚕丝蛋白溶液，将配置好的溶液在4℃下保存，取15mL的蚕丝蛋白溶液倒入直径为55mm的铝盘中，在丙酮和干冰的混合浴中冷冻10分钟，之后在-40℃下预冻1h至结冰；

S2.将预冻之后的溶液在-80℃下了冷冻干燥3天，即获得蚕丝蛋白气凝胶，将获得的蚕丝蛋白气凝胶压缩为0.2mm的薄膜。

本实施例还提供一种聚偏二氟乙烯气凝胶的制备方法，具体包括一下制备步骤：

Y1.取1g聚偏二氟乙烯溶解于20mL的二甲基甲酰胺配置成5％的溶液，将配置好的溶液均匀涂覆在玻璃表面，并在水浴中浸泡1分钟左右，即获得聚偏二氟乙烯多孔薄膜；

Y2.将步骤S3得到的多孔薄膜干燥后即得到聚偏二氟乙烯气凝胶薄膜。

以蚕丝蛋白气凝胶为正极材料，聚偏二氟乙烯气凝胶为负极材料，制备出摩擦纳米发电机。

实施例2

本实施例参照实施例1的制备方法，不同之处在于：步骤S1中配置的蚕丝蛋白溶液浓度为1％；步骤S2中冷冻干燥的温度为-50℃；步骤Y1中聚偏二氟乙烯浓度为10％。

实施例3

本实施例参照实施例1的制备方法，不同之处在于：步骤S1中配置的蚕丝蛋白溶液浓度为4％；步骤S2中冷冻干燥的温度为-65℃；步骤Y1中聚偏二氟乙烯浓度为7％。

实施例4

本实施例参照实施例1的制备方法，不同之处在于：步骤Y1中聚偏二氟乙烯浓度为8％。

对比例1

本对比例参照实施例1的制备方法，不同之处在于：步骤S1中配置的蚕丝蛋白溶液浓度为5％；步骤Y1中聚偏二氟乙烯浓度为5％。

本对比例制备摩擦纳米发电机与实施例1制备的摩擦纳米发电机相比，产生的电压电流小，能量转化效率小，输出功率小。

对比例2

本对比例参照实施例1的制备方法，不同之处在于：步骤S1中配置的蚕丝蛋白溶液浓度为0.5％；步骤Y1中聚偏二氟乙烯浓度为5％。

对比例3

本对比例参照实施例1的制备方法，不同之处在于：步骤S1中配置的蚕丝蛋白溶液浓度为2％；步骤Y1中聚偏二氟乙烯浓度为11％。

对比例4

本对比例参照实施例1的制备方法，不同之处在于：步骤S1中配置的蚕丝蛋白溶液浓度为2％；步骤Y1中聚偏二氟乙烯浓度为4％。

对实施例1～3制备的蚕丝蛋白气凝胶进行性能检测与扫描电镜观察，具体结果见表1，扫描电镜见图1～3，由图1～3和表1可知，制备的蚕丝蛋白气凝胶具有较高的孔隙率和比表面积，且密度较低。随着蚕丝蛋白溶液浓度增大气凝胶密度增大，孔隙率减小，且基于2％浓度的蚕丝蛋白溶液制备的蚕丝蛋白气凝胶具有最大的孔隙率，说明制备的蚕丝蛋白气凝胶结构和性能易于调控。

表1

	实施例2	实施例1	实施例3
				密度g/cm<sup>3</sup>	0.37	0.42	0.61
孔隙率％	74	71	62
				比表面积m<sup>2</sup>/g	16.1	18.8	10.2

图5为本发明提供的一种摩擦纳米发电机的结构示意图，但本发明提供的摩擦纳米发电机不限于该种结构，可以为现有的各种结构的摩擦纳米发电机。

如图5所示，摩擦纳米发电机包括正极材料、负极材料、隔离块、电极薄膜(集电器)和电流引线。正极材料采用实施例1～3制备的摩擦纳米发电机用蚕丝蛋白气凝胶；负极材料采用实施例1～3中制备的聚偏二氟乙烯气凝胶；隔离块选用硅胶；电极薄膜选用氧化铟锡涂覆的导电聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。其中，两个电极薄膜内侧分别与正负极材料相连，在正负极材料之间使用硅胶隔离块将正负极材料隔开一定距离，在两个电极薄膜上分别连接一根导线以导出电流。

对实施例1～3制备的蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶组装成的摩擦纳米发电机检测电压与电流的输出情况，具体结果见图6～11。

由图6、图7可知，1％蚕丝蛋白溶液制备的蚕丝蛋白气凝胶与聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机输出的电压电流稳定。

由图8、图9可知，2％蚕丝蛋白溶液制备的蚕丝蛋白气凝胶与聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机输出的电压电流稳定，较高的比表面积增大了单位体积材料的电荷转移量，且相比其它浓度蚕丝蛋白溶液制备的蚕丝蛋白气凝胶产生的电压电流最大，单位面积的功率最高，输出性能稳定。

由图10、图11可知，2％蚕丝蛋白溶液制备的蚕丝蛋白气凝胶与聚偏二氟乙烯气凝胶制备的摩擦纳米发电机输出的电压电流稳定。

对实施例2制备的基于蚕丝蛋白气凝胶和聚偏二氟乙烯气凝胶的摩擦纳米发电机的各项性能进行检测，包括检测将摩擦纳米发电机外接不同电阻时的输出能量密度和电流密度，将摩擦纳米发电机通过整流电路外接不同电容器时的充电性能，以及摩擦纳米发电机连续工作的电压信号稳定性检测。具体检测结果见图12～14。

由图12可知，制备的摩擦纳米发电机具有充电性能好，充电稳定的特点。

由图13可知，制备的摩擦纳米发电机连续工作性能好且输出性能稳定。

由图13可知，制备的摩擦纳米发电机具备高性能、高输出功率的特点，在外接1MΩ电阻时有最大输出功率3.5W/m²。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机的负极材料为聚偏二氟乙烯气凝胶，所述摩擦纳米发电机的正极材料为蚕丝蛋白气凝胶；

所述蚕丝蛋白气凝胶的制备步骤包括：

S1.将蚕丝蛋白配置成浓度1%～4%的溶液后在 4℃下保存，在丙酮/干冰或乙醇/干冰浴中冷冻 10min 后，再进行-40℃预冻处理直至完全冻结；

S2.将预冻后的溶液在-50～-80℃冷冻干燥获得蚕丝蛋白气凝胶，将获得的蚕丝蛋白气凝胶压缩成 0.2mm 厚的薄膜；

所述聚偏二氟乙烯气凝胶的制备步骤包括：

2.根据权利要求1 所述摩擦纳米发电机，其特征在于，步骤Y1 所述溶剂为二甲基甲酰胺、丙酮、四氢呋喃、二甲亚砜或二甲基乙酰胺的其中任意一种；所述聚偏二氟乙烯溶液浓度为5％～10％。

3.根据权利要求1 所述摩擦纳米发电机，其特征在于，步骤Y1 所述涂覆有聚偏二氟乙烯溶液的玻璃板浸泡在水中的时间为1 分钟。