CN110034701B - 一种光热驱动的摩擦纳米发电薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光热驱动的摩擦纳米发电薄膜及其制备方法，所述薄膜至少包括五层，依次为光热驱动器层、摩擦负极层、摩擦正极层、电极层、光热驱动器层。制备方法：发电薄膜由光热驱动器层/摩擦负极层复合薄膜和摩擦正极层/电极层/光热驱动器层复合薄膜叠放，固定，即得。本发明制作工艺简单，使用市场上商业的LDPE薄膜，成本低廉；制备得到的摩擦纳米发电薄膜结构简单，柔软、轻巧，可以有效地将红外热能转换为电能。
Description
技术领域
本发明属于摩擦纳米发电机及其制备领域，特别涉及一种光热驱动的摩擦纳米发电薄膜及其制备方法。
背景技术
随着人类社会的不断发展，能源危机已成为世界上最严峻的挑战之一，这也引发了人类对于可再生能源技术的迫切需求。自2012年美国佐治亚理工学院王中林院士发明摩擦纳米发电机至今，为了满足多尺度的能量需求，科研人员已经成功地收集了众多运动类型的机械能。与其他可再生能源技术相比，摩擦纳米发电技术具有制备简单、成本低、易于放大、适用于低频运动等优点。
虽然摩擦纳米发电机的类型多种多样，但是这些发电机大多集中于利用人体动能、水波动能、风能等。例如，新加坡南洋理工大学的研究人员利用织物基摩擦纳米发电机对人体的生物力学能量进行收集(Nature Communications,2018,9(1):4280)；新加坡国立大学的研究人员制备出球形摩擦纳米发电机以便收集水波的动能(Nano Energy,2017,40:203-213)；美国佐治亚理工学院的研究人员利用旋转式摩擦纳米发电机收集风能(ACSNano,2013,7(8):7119-7125)。太阳光是自然环境中最基本的能量形式，但现阶段对太阳光的利用大多集中在可见光区域，对太阳光中红外光的利用率还很低，加大对太阳光中红外热能的利用具有很重要的现实意义。因此，亟需一种可以将红外热能转换为电能的设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光热驱动的摩擦纳米发电薄膜及其制备方法，填补了现有光热驱动的摩擦纳米发电薄膜的空缺，本发明将柔性致动与摩擦发电技术结合，该发电薄膜可以对耗散的红外热能进行有效收集。
本发明的一种光热驱动的摩擦纳米发电薄膜，其特征在于，所述薄膜至少包括五层，依次为第一光热驱动器层、摩擦负极层、摩擦正极层、电极层、第二光热驱动器层。
所述光热驱动器层为LDPE薄膜；摩擦负极层和电极均为MXene薄膜；摩擦正极层为PA6薄膜。发电薄膜由MXene/LDPE复合薄膜和PA6/MXene/LDPE复合薄膜构成。
其中MXene为过渡金属碳/氮化合物，LDPE为低密度聚乙烯(密度范围为0.92-0.94g/cm3)，PA6为尼龙6。
所述发电薄膜由MXene/LDPE复合薄膜和PA6/MXene/LDPE复合薄膜构成，共5层，其中MXene层分别作为摩擦负极和电极，PA6层作为摩擦正极，LDPE层作为光热驱动器。
本发明的一种光热驱动的摩擦纳米发电薄膜的制备方法，包括：
(1)采用选择性刻蚀法及重力自组装制备得到MXene油墨；采用冷拉伸法制备高度取向的LDPE薄膜；将得到的MXene油墨，依托高度取向的LDPE薄膜，然后通过高压喷涂法得到MXene/LDPE复合薄膜；
(2)将MXene/LDPE复合薄膜作为基底，采用高压静电纺丝技术制备得到PA6/MXene/LDPE复合薄膜；
(3)将MXene/LDPE复合薄膜和PA6/MXene/LDPE复合薄膜叠放在一起，两种复合薄膜下端用胶水固定在一起，即得光热驱动的摩擦纳米发电薄膜。
上述制备方法的优选方式如下：
所述步骤(1)中选择性刻蚀法具体为：将氟化锂加入到盐酸中，再加入Ti3AlC2，磁力搅拌24-48h，离心，然后取下层沉淀物，加水，以氩气为保护气超声，时间为3-5h，得到MXene水溶液；重力自组装具体为：将得到的MXene水溶液倒入砂芯漏斗中，抽滤至凝胶状，冷冻干燥，然后将MXene分散在无水乙醇中，得到MXene分散液，将所得分散液以氩气为保护气超声，超声时间为2-3h，得到MXene油墨。
所述盐酸的浓度为7-9mol/L；离心为共离心2-4次，每次5-7min，转速为3000-3500rpm。
所述MXene分散液的浓度为1-3mg/mL。
所述步骤(1)中冷拉伸法具体为：将LDPE薄膜超声清洗、干燥，然后利用万能试验机以100-500mm/min的速度对其进行牵伸，得到预拉伸的LDPE薄膜(高度取向的LDPE薄膜)。
所述步骤(1)中喷涂法具体为：高度取向的LDPE薄膜被置于热台上，利用高压喷枪(压力范围为15-25MPa)将MXene油墨均匀地喷涂在LDPE薄膜表面，得到MXene/LDPE复合薄膜，其中热台温度为60-80℃。
所述步骤(1)中MXene/LDPE复合薄膜表面电阻为50-500Ω。
所述步骤(2)中采用高压静电纺丝技术具体为：PA6、甲酸和乙酸混合，搅拌、超声，得到PA6纺丝液进行高压静电纺丝，纺丝电压为15-20kV，推进速度为0.05-0.15mL/h；其中搅拌时间为1-3h，超声时间为6-8h。
所述步骤(3)中固定为两种复合薄膜的底部用热熔胶固定。
本发明提供的一种所述光热驱动的摩擦纳米发电薄膜的应用。
有益效果
(1)本发明制作工艺简单，所用材料均为廉价易得的商业原材料；
(2)本发明以商用低密度聚乙烯为基底和光热响应材料，制备得到的摩擦纳米发电薄膜具有较好的柔韧性；
(3)本发明提供的光热驱动的摩擦纳米发电薄膜，通过将柔性致动与摩擦发电技术结合，该发电薄膜可以对耗散的红外热能进行有效收集；
(4)本发明制备得到的摩擦纳米发电薄膜结构简单，可以将光热能量有效地转换为电能。
附图说明
图1为实施例1中摩擦纳米发电薄膜地光学照片；
图2为红外光照射时摩擦纳米发电薄膜的变形模式；
图3为摩擦纳米发电薄膜的工作机理图；
图4为实施例1中PA6纳米纤维膜的SEM图；
图5为实施例2中PA6纳米纤维膜的SEM图；
图6为实施例3中PA6纳米纤维膜的SEM图；
图7为实施例1中摩擦纳米发电薄膜的输出电压曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
下列实施例中发电薄膜依次为光热驱动器层、摩擦负极层、摩擦正极层、电极层、光热驱动器层。并且由MXene/LDPE复合薄膜和PA6/MXene/LDPE复合薄膜构成，共5层，其中MXene层分别作为摩擦负极和电极，PA6层作为摩擦正极，LDPE层作为光热驱动器，其中MXene为过渡金属碳/氮化合物，LDPE为低密度聚乙烯，PA6为尼龙6。
实施例1
(1)室温下，取0.8g氟化锂溶于10mL、9mol/L的盐酸中，再将0.5gTi3AlC2(MAX相)缓慢加入到氟化锂与盐酸的混合物中，磁力搅拌24h，得到均匀的溶液，然后将溶液离心3次，每次5min，转速为3000rpm。离心后，取下层沉淀物，加水，以氩气为保护气进行水浴超声3h，得到MXene水溶液。将MXene水溶液倒入砂芯漏斗中，抽滤至凝胶状，冷冻干燥，然后将MXene以3mg/mL的比例分散于无水乙醇中，将分散液以氩气为保护气进行水浴超声3h，得到MXene油墨。
(2)将商用LDPE薄膜(由昆山市星光塑料厂制备，厚度为0.1mm，下同)超声清洗、干燥，然后利用万能试验机以100mm/min的速度对其进行牵伸，得到高度取向的LDPE薄膜。然后将LDPE薄膜置于热台上，利用高压喷枪将MXene油墨均匀地喷涂在LDPE薄膜表面，得到MXene/LDPE复合薄膜，此时热台温度为80℃，复合薄膜表面电阻为50Ω。
(3)取10gPA6加进32g甲酸和8g乙酸的混合溶液中，搅拌3h，超声8h，得到PA6纺丝液。利用高压静电纺丝机在MXene/LDPE复合薄膜上制备PA6纳米纤维膜，其中MXene层作为纺丝基底，纺丝电压为20kV，推进速度为0.1mL/h。
(4)将MXene/LDPE复合薄膜的MXene层与PA6/MXene/LDPE复合薄膜的PA6层叠放在一起，两种复合薄膜的底部用热熔胶固定，得到一种光热驱动的摩擦纳米发电薄膜。
摩擦纳米发电薄膜为黑色，如图1所示，表明其具有较好吸光潜能。
红外光照射时摩擦纳米发电薄膜的变形模式，如图2所示：当红外光照射摩擦纳米发电薄膜时，LDPE层收缩，MXene/LDPE复合薄膜和PA6/MXene/LDPE复合薄膜分别向左右两边弯曲。
摩擦纳米发电薄膜的工作机理图，如图3所示，初始状态时两种复合薄膜完全接触，电子从PA6表面转移到MXene表面；红外光照射时两种复合薄膜分离，电子从左边薄膜的MXene层流向右边薄膜的MXene层；当红外光消失时，电子通过外电路流回左边薄膜的MXene层。
实施例1的PA6纳米纤维膜的SEM图，如图4所示，PA6纳米纤维分布均匀，直径较小；
摩擦纳米发电薄膜的输出电压曲线，如图7所示，摩擦纳米发电薄膜可以有效地将红外热能转换为电能(转化效率为15％)。
实施例2
(1)室温下，取0.8g氟化锂溶于10mL、8mol/L的盐酸中，再将0.5gTi3AlC2(MAX相)缓慢加入到氟化锂与盐酸的混合物中，磁力搅拌36h，得到均匀的溶液，然后将溶液离心4次，每次6min，转速为3200rpm。离心后，取下层沉淀物，加水，以氩气为保护气进行水浴超声4h，得到MXene水溶液。将MXene水溶液倒入砂芯漏斗中，抽滤至凝胶状，冷冻干燥，然后将MXene以2mg/mL的比例分散于无水乙醇中，将分散液以氩气为保护气进行水浴超声4h，得到MXene油墨。
(2)将商用LDPE薄膜超声清洗、干燥，然后利用万能试验机以200mm/min的速度对其进行牵伸，得到高度取向的LDPE薄膜。然后将LDPE薄膜置于热台上，利用高压喷枪将MXene油墨均匀地喷涂在LDPE薄膜表面，得到MXene/LDPE复合薄膜，此时热台温度为70℃，复合薄膜表面电阻为300Ω。
(3)取10gPA6加进28g甲酸和12g乙酸的混合溶液中，搅拌2h，超声7h，得到PA6纺丝液。利用高压静电纺丝机在MXene/LDPE复合薄膜上制备PA6纳米纤维膜，其中MXene层作为纺丝基底，纺丝电压为18kV，推进速度为0.15mL/h。
(4)将MXene/LDPE复合薄膜的MXene层与PA6/MXene/LDPE复合薄膜的PA6层叠放在一起，两种复合薄膜的底部用热熔胶固定，得到一种光热驱动的摩擦纳米发电薄膜。
实施例2的PA6纳米纤维膜的SEM图，如图5所示：PA6纳米纤维分布均匀，直径较大。
实施例3
(1)室温下，取0.8g氟化锂溶于10mL、7mol/L的盐酸中，再将0.5gTi3AlC2(MAX相)缓慢加入到氟化锂与盐酸的混合物中，磁力搅拌48h，得到均匀的溶液，然后将溶液离心2次，每次7min，转速为3500rpm。离心后，取下层沉淀物，加水，以氩气为保护气进行水浴超声5h，得到MXene水溶液。将MXene水溶液倒入砂芯漏斗中，抽滤至凝胶状，冷冻干燥，然后将MXene以1mg/mL的比例分散于无水乙醇中，将分散液以氩气为保护气进行水浴超声5h，得到MXene油墨。
(2)将商用LDPE薄膜超声清洗、干燥，然后利用万能试验机以500mm/min的速度对其进行牵伸，得到高度取向的LDPE薄膜。然后将LDPE薄膜置于热台上，利用高压喷枪将MXene油墨均匀地喷涂在LDPE薄膜表面，得到MXene/LDPE复合薄膜，此时热台温度为60℃，复合薄膜表面电阻为500Ω。
(3)取10gPA6加进30g甲酸和10g乙酸的混合溶液中，搅拌1h，超声6h，得到PA6纺丝液。利用高压静电纺丝机在MXene/LDPE复合薄膜上制备PA6纳米纤维膜，其中MXene层作为纺丝基底，纺丝电压为15kV，推进速度为0.05mL/h。
(4)将MXene/LDPE复合薄膜的MXene层与PA6/MXene/LDPE复合薄膜的PA6层叠放在一起，两种复合薄膜的底部用热熔胶固定，得到一种光热驱动的摩擦纳米发电薄膜。
实施例3的PA6纳米纤维膜的SEM图，如图6所示：PA6纳米纤维分布不均匀，直径较大。
Claims (7)
1.一种光热驱动的摩擦纳米发电薄膜的制备方法，包括：
(1)采用选择性刻蚀法及重力自组装制备得到MXene油墨；采用冷拉伸法制备高度取向的LDPE薄膜；然后通过喷涂法得到MXene/LDPE复合薄膜；
(2)将MXene/LDPE复合薄膜作为基底，采用高压静电纺丝技术制备得到PA6/MXene/LDPE复合薄膜；
(3)将MXene/LDPE复合薄膜和PA6/MXene/LDPE复合薄膜叠放在一起，固定，即得光热驱动的摩擦纳米发电薄膜。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中选择性刻蚀法具体为：将氟化锂加入到盐酸中，再加入Ti3AlC2，磁力搅拌24-48h，离心，然后取下层沉淀物，加水，以氩气为保护气超声，时间为3-5h，得到MXene水溶液；重力自组装具体为：将得到的MXene水溶液抽滤至凝胶状，冷冻干燥，然后分散在无水乙醇中，得到MXene分散液，将所得分散液以氩气为保护气超声，超声时间为2-3h，得到MXene油墨。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中冷拉伸法具体为：将LDPE薄膜超声清洗、干燥，然后以100-500mm/min的速度对其进行牵伸。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中喷涂法具体为：高度取向的LDPE薄膜被置于热台上，利用喷枪将MXene油墨均匀地喷涂在LDPE薄膜表面，得到MXene/LDPE复合薄膜，其中热台温度为60-80℃。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中MXene/LDPE复合薄膜表面电阻为50-500Ω。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用高压静电纺丝技术具体为：PA6、甲酸和乙酸混合，搅拌、超声，得到PA6纺丝液进行高压静电纺丝，纺丝电压为15-20kV，推进速度为0.05-0.15mL/h。
7.一种权利要求1所述方法制备的光热驱动的摩擦纳米发电薄膜，其特征在于，所述薄膜依次为第一光热驱动器层、摩擦负极层、摩擦正极层、电极层、第二光热驱动器层；发电薄膜由MXene/LDPE复合薄膜和PA6/MXene/LDPE复合薄膜构成。
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