CN110868098B - 一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，尤其涉及一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。本发明将摩擦纳米发电机作为供电电源，将泡沫聚苯胺连接到摩擦纳米发电机的外电路中，利用泡沫聚苯胺的阻值对氨气的响应性可实现自供电氨气传感的摩擦纳米发电机，所得到的自供电氨气传感摩擦纳米发电机具有优异的氨气响应灵敏度，能检测低至5ppm浓度的氨气，可以作为环境中检测氨气泄漏的传感器。本发明提供了所述自供电氨气传感摩擦纳米发电机的制备方法，方法简单、易操作。

Description

一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，尤其涉及一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着对环境安全的要求越来越高，对生产和生活中的泄漏气体的检测也变得越来越重要。氨气作为一种工业常用气体，其在生产和生活中的应用十分广泛。氨的刺激性是可靠的有害浓度报警信号，吸入是接触的主要途径，但由于嗅觉疲劳，长期接触后对低浓度的氨气会难以察觉。因此，对泄漏氨气的快速灵敏检测变得越来越重要。泡沫结构聚苯胺材料由于具有较大的表面积，其对氨气具有较高的阻值响应性，可以检测环境中泄漏的较低浓度的氨气。

此外，现有的氨气传感器大部分都需要外接电源来给传感器供电。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到重视，其中，摩擦纳米发电机的研究和应用在近些年备受关注，摩擦纳米发电机(TENG)是一种微型发电机，它能依靠摩擦点电势的充电泵效应，把极其微小的机械能转化为电能。此种发电机在电子产品、环境监测以及医疗设备制造等领域具有巨大的应用潜力。自第一台摩擦纳米发电机问世以来，由于其来源广泛、成本低廉、输出性可靠等优点，越来越受到人们的关注。

因此，提供一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机及其制备方法和应用，该摩擦纳米发电机能广泛应用于环境中低浓度氨气的传感检测。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机，包括自供电部分和传感部分，所述自供电部分包括独立设置的第一供电部分和第二供电部分，所述第一供电部分包括摩擦层1和摩擦层电极3，所述摩擦层1和摩擦层电极3层叠设置，所述第二供电部分包括对摩层2和对摩层电极4，所述对摩层2和对摩层电极4层叠设置；所述传感部分包括导线5和泡沫聚苯胺6，所述摩擦层电极3和对摩层电极4通过导线5相连，所述泡沫聚苯胺6连接在所述导线5上。

优选的，所述摩擦层1的材质为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚有机硅氧烷或聚酰亚胺。

优选的，所述对摩层2的材质为尼龙、聚苯乙烯、聚酯、聚氨酯或聚丙烯酸。

优选的，所述摩擦层1和对摩层2的厚度独立地为0.1～2.0mm。

优选的，所述摩擦层电极3和对摩层电极4的厚度为0.1mm，所述摩擦层电极3和对摩层电极4的材质独立地为铜、铂、铝、铁、金、银、导电玻璃或石墨烯，所述导线5的材质为铜。

优选的，所述泡沫聚苯胺由三维网状结构泡沫和垂直于所述三维网状结构泡沫表面生长的聚苯胺纳米线组成。

优选的，所述泡沫聚苯胺的制备方法包括以下步骤：将三维网状结构泡沫、水、苯胺、高氯酸和过硫酸铵混合，进行聚合反应，得到泡沫聚苯胺。

优选的，所述聚合反应的温度为0～20℃，时间为2～48h，所述聚合反应在搅拌条件下进行，所述搅拌的速度为10～800rpm。

本发明提供了上述技术方案所述自供电氨气传感摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：

在所述摩擦层1的一侧表面贴合摩擦层电极3；

在所述对摩层2的一侧表面贴合对摩层电极4；

将所述摩擦层电极3和对摩层电极4通过导线5相连，将泡沫聚苯胺6连接到所述导线5上，得到自供电氨气传感摩擦纳米发电机。

本发明提供了上述技术方案所述的自供电氨气传感摩擦纳米发电机或上述技术方案所述制备方法制备得到的自供电氨气传感摩擦纳米发电机在氨气检测中的应用。

本发明提供了一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机，包括自供电部分和传感部分，所述自供电部分包括独立设置的第一供电部分和第二供电部分，所述第一供电部分包括摩擦层1和摩擦层电极3，所述摩擦层1和摩擦层电极3层叠设置，所述第二供电部分包括对摩层2和对摩层电极4，所述对摩层2和对摩层电极4层叠设置；所述传感部分包括导线5和泡沫聚苯胺6，所述摩擦层电极3和对摩层电极4通过导线5相连，所述泡沫聚苯胺6连接在所述导线5上。本发明提供的自供电氨气传感摩擦纳米发电机中，自供电部分的摩擦层1和对摩层2的表面含有不同得失电子性能的基团，将所述摩擦层1和对摩层2进行对磨，产生摩擦电流，作为供电部分；传感部分的泡沫聚苯胺的电阻对氨气具有灵敏的响应作用，其在不同浓度的氨气气氛中会产生电阻的变化，在出现氨气气氛下，泡沫聚苯胺接触到氨气后，其电阻值变大，由此电路中产生电压和电流的变化，根据电压和电流的变化来对氨气进行响应，进而实现对氨气的检测。

本发明提供了所述自供电氨气传感摩擦纳米发电机的制备方法，方法简单、易操作。

本发明提供了所述自供电氨气传感摩擦纳米发电机在氨气检测中的应用，本发明将摩擦纳米发电机作为供电电源，将泡沫聚苯胺连接到摩擦纳米发电机的外电路中，利用泡沫聚苯胺的阻值对氨气的响应性可实现自供电氨气传感的摩擦纳米发电机，所得到的自供电氨气传感摩擦纳米发电机具有优异的氨气响应灵敏度，能检测低至5ppm浓度的氨气，可以作为环境中检测氨气泄漏的传感器。

附图说明

图1为本发明提供的自供电氨气传感摩擦纳米发电机的结构示意图，其中，1为摩擦层，2为对摩层，3为摩擦层电极，4为对摩层电极，5为导线，6为泡沫聚苯胺。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机，包括自供电部分和传感部分，所述自供电部分包括独立设置的第一供电部分和第二供电部分，所述第一供电部分包括摩擦层1和摩擦层电极3，所述摩擦层1和摩擦层电极3层叠设置，所述第二供电部分包括对摩层2和对摩层电极4，所述对摩层2和对摩层电极4层叠设置；所述传感部分包括导线5和泡沫聚苯胺6，所述摩擦层电极3和对摩层电极4通过导线5相连，所述泡沫聚苯胺6连接在所述导线5上。

在本发明中，若无特殊说明，所需材料均为本领域技术人员熟知的市售商品。

本发明提供的自供电氨气传感摩擦纳米发电机包括自供电部分，所述自供电部分包括独立设置的第一供电部分和第二供电部分，所述第一供电部分包括摩擦层1和摩擦层电极3，所述摩擦层1和摩擦层电极3层叠设置，所述第二供电部分包括对摩层2和对摩层电极4，所述对摩层2和对摩层电极4层叠设置。在本发明中，所述摩擦层1的材质优选为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚有机硅氧烷或聚酰亚胺；所述对摩层2的材质优选为尼龙、聚苯乙烯、聚酯、聚氨酯或聚丙烯酸。在本发明中，所述摩擦层1和对摩层2的厚度独立地优选为0.1～2.0mm，更优选为0.5～1.5mm。

在本发明中，所述摩擦层电极3和对摩层电极4的材质独立地优选为铜、铂、铝、铁、金、银、导电玻璃或石墨烯；所述摩擦层电极3和对摩层电极4的厚度优选为0.1mm。

在本发明中，所述自供电部分起到产生电流的作用。

本发明提供的自供电氨气传感摩擦纳米发电机包括传感部分，所述传感部分包括导线5和泡沫聚苯胺6，所述摩擦层电极3和对摩层电极4通过导线5相连，所述泡沫聚苯胺6连接在所述导线5上。在本发明中，所述导线5的材质优选为铜。

在本发明中，所述泡沫聚苯胺优选由三维网状结构泡沫和垂直于所述三维网状结构泡沫表面生长的聚苯胺纳米线组成；本发明对所述聚苯胺纳米线的尺寸没有特殊的限定，能够在三维网状结构泡沫表面形成纳米层即可。本发明对所述纳米层的厚度以及整个泡沫聚苯胺的厚度没有特殊的限定，选用本领域熟知的厚度即可。

在本发明中，所述泡沫聚苯胺的制备方法优选包括以下步骤：将三维网状结构泡沫、水、苯胺、高氯酸和过硫酸铵混合，进行聚合反应，得到泡沫聚苯胺。本发明对所述三维网状结构泡沫的成分没有任何特殊的限定，本领域熟知的具有泡沫状结构的材料均可，在本发明的实施例中，具体为聚苯胺泡沫。

在本发明中，所述三维网状结构泡沫、水、苯胺、高氯酸和过硫酸铵的用量比优选为20～30cm³：900mL：2mL：40mL：4g；更优选为23～27cm³：900mL：2mL：40mL：4g。本发明对所述混合的过程没有特殊的限定，选用本领域熟知的混合过程能够将原料混合均匀即可。

在本发明中，所述聚合反应的温度优选为0～20℃，更优选为5～15℃，时间优选为2～48h，更优选为10～30h，最优选为15～25h，所述聚合反应优选在搅拌条件下进行，所述搅拌的速度优选为10～800rpm，更优选为100～600rpm，最优选为300～500rpm。在聚合反应过程中，苯胺发生聚合反应，在三维网状结构泡沫的表面进行垂直生长，得到垂直于所述三维网状结构泡沫表面生长的聚苯胺纳米线，即泡沫聚苯胺；所述聚苯胺纳米线对氨气具有电阻响应性。

完成所述聚合反应后，本发明优选将所得产物用稀盐酸冲洗、干燥，得到聚苯胺纳米线垂直泡沫表面生长的聚苯胺泡沫。

本发明提供的自供电氨气传感摩擦纳米发电机中，自供电部分的摩擦层1和对摩层2的表面含有不同得失电子性能的基团，将所述摩擦层1和对摩层2进行对磨，产生摩擦电流；传感部分的泡沫聚苯胺的电阻对氨气具有灵敏的响应作用，其在不同浓度的氨气气氛中会产生电阻的变化，在出现氨气气氛下，泡沫聚苯胺接触到氨气后，其电阻值变大，由此电路中产生电压和电流的变化，根据电压和电流的变化来对氨气进行响应，进而实现对氨气的检测。

本发明提供了上述技术方案所述自供电氨气传感摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：

在所述摩擦层1的一侧表面贴合摩擦层电极3；

在所述对摩层2的一侧表面贴合对摩层电极4；

将所述摩擦层电极3和对摩层电极4通过导线5相连，将泡沫聚苯胺6连接到所述导线5上，得到自供电氨气传感摩擦纳米发电机。

本发明在所述摩擦层1的一侧表面贴合摩擦层电极3。在本发明中，所述摩擦层1的制备过程优选为将所述摩擦层1对应的材质进行成膜，得到摩擦层1。本发明对所述成膜的方法没有特殊的限定，选用本领域熟知的方法即可。在本发明的实施例中，具体是将所述摩擦层1对应的材质通过涂膜或者热压的方法进行成膜，本发明对所述涂膜的方法没有特殊的限定，在本发明的实施例中，具体为旋涂；本发明对所述涂膜过程所用溶剂没有特殊的限定，能够将所述摩擦层1对应的材质溶解的溶剂均可，在本发明的实施例中，具体可以为N-甲基吡咯烷酮、二甲苯或醋酸丁酯；本发明对所述热压的过程没有特殊的限定，选用本领域熟知的过程即可。本发明对所述摩擦层1的尺寸没有特殊的限定，在本发明的实施例中，所述摩擦层1的尺寸具体为4cm×4cm。本发明对在所述摩擦层1的一侧表面贴合摩擦层电极3的方法没有特殊的限定，能够在摩擦层1上贴上摩擦层电极3即可，具体的如用胶带粘贴。

本发明在所述对摩层2的一侧表面贴合对摩层电极4。在本发明中，所述对摩层2的制备过程优选为将所述对摩层2对应的材质进行成膜，得到对摩层2。本发明对所述对摩层2和对摩层电极4的制备过程的限定与上述摩擦层1和摩擦层电极3相同，在此不再赘述。

本发明将所述摩擦层电极3和对摩层电极4通过导线5相连，将泡沫聚苯胺6连接到所述导线5上，得到自供电氨气传感摩擦纳米发电机。将泡沫聚苯胺6连接到所述导线5上之前，本发明优选将所述泡沫聚苯胺裁切成长条状，本发明对所述长条状的尺寸没有特殊的限定，在本发明的实施例中，具体为1mm×3mm×20mm、2mm×2mm×30mm或3mm×3mm×30mm。本发明对所述连接的方式没有特殊的限定，选用本领域熟知的方式进行连接即可。

本发明提供了上述技术方案所述的自供电氨气传感摩擦纳米发电机或上述技术方案所述制备方法制备得到的自供电氨气传感摩擦纳米发电机在氨气检测中的应用。在将所述自供电氨气传感摩擦纳米发电机应用于氨气检测中时，将所述摩擦层电极3和对摩层电极4以0.5～100N的力进行对磨，因摩擦产生电流，当空气中出现氨气时，其电流值和电压值产生变化，实现对氨气的检测。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

以PTFE(聚四氟乙烯)作为摩擦层，裁剪成“4cm×4cm”大小，厚度为0.4mm，在其背部贴上铜箔，得到摩擦层1和摩擦层电极3；所述摩擦层电极3的厚度为0.1mm；

将尼龙溶于N-甲基吡咯烷酮中(尼龙的浓度为0.05g/mL)，在铜箔上旋涂成膜，在80℃下加热除去溶剂，得到厚度为0.4mm的薄膜，将薄膜撕下，裁剪成“4cm×4cm”大小，在其背部贴上铜箔，得到对摩层2和对摩层电极4；所述对摩层电极4的厚度为0.1mm；

在所述摩擦层电极3(即铜箔)和对摩层电极4(即铜箔)上分别引出铜导线；

将27cm³聚氨酯三维网状结构泡沫放入900mL水、2mL苯胺、40mL高氯酸和4g过硫酸铵的溶液中，在5℃温度及300rpm搅拌速度下反应24h，将所得产物用稀盐酸冲洗，干燥，得到泡沫聚苯胺；

将所述泡沫聚苯胺裁成1mm×3mm×20mm的长条，将其接到所述铜导线上，得到自供电氨气传感摩擦纳米发电机。

性能测试

以60N的外力使摩擦层电极3和对摩层电极4进行碰撞，摩擦层1与对摩层2实现接触分离，输出电流达30μA，输出电压达660V，当空气中出现浓度为5ppm的氨气时，其电流降至25μA，输出电压降至560V。因此，该实施例的自供电氨气传感摩擦纳米发电机可作为低浓度氨气的传感器，实现环境中低浓度氨气泄漏的检测。

实施例2

以PVDF(聚偏氟乙烯)作为摩擦层，裁剪成“4cm×4cm”大小，厚度为0.5mm，在其背部贴上铜箔，得到摩擦层1和摩擦层电极3；所述摩擦层电极3的厚度为0.1mm；

将聚丙烯酸树脂溶于二甲苯中(聚丙烯酸树脂的浓度为0.01g/mL)，在铜箔上旋涂成膜，在60℃下加热除去溶剂，得到厚度为0.5mm的薄膜，将薄膜撕下，裁剪成“4cm×4cm”大小，在其背部贴上铜箔，得到对摩层2和对摩层电极4；所述对摩层电极4的厚度为0.1mm；

在所述摩擦层电极3(即铜箔)和对摩层电极4(即铜箔)上分别引出铜导线；

将20cm³聚氨酯三维网状结构泡沫放入900mL水、2mL苯胺、40mL高氯酸和4g过硫酸铵的溶液中，在0℃温度及100rpm搅拌速度下反应48h，将所得产物用稀盐酸冲洗，干燥，得到泡沫聚苯胺；

将所述泡沫聚苯胺裁成2mm×2mm×30mm的长条，将其接到所述铜导线上，得到自供电氨气传感摩擦纳米发电机。

性能测试

以30N的外力使摩擦层电极3和对摩层电极4进行碰撞，摩擦层1与对摩层2实现接触分离，输出电流达21μA，输出电压达350V，当空气中出现浓度为100ppm的氨气时，其电流降至10μA，输出电压降至200V。因此，该实施例的自供电氨气传感摩擦纳米发电机可作为低浓度氨气的传感器，实现环境中低浓度氨气泄漏的检测。

实施例3

以PTFE作为摩擦层，裁剪成“4cm×4cm”大小，厚度为0.8mm，在其背部贴上铜箔，得到摩擦层1和摩擦层电极3；所述摩擦层电极3的厚度为0.1mm；

将聚酯树脂溶于醋酸丁酯中(聚酯树脂的浓度为0.02g/mL)，在铜箔上旋涂成膜，在50℃下加热除去溶剂，得到厚度为0.8mm的薄膜，将薄膜撕下，裁剪成“4cm×4cm”大小，在其背部贴上铜箔，得到对摩层2和对摩层电极4；所述对摩层电极4的厚度为0.1mm；

在所述摩擦层电极3(即铜箔)和对摩层电极4(即铜箔)上分别引出铜导线；

将30cm³聚氨酯三维网状结构泡沫放入900mL水、2mL苯胺、40mL高氯酸和4g过硫酸铵的溶液中，在10℃温度及500rpm搅拌速度下反应36h，将所得产物用稀盐酸冲洗，干燥，得到泡沫聚苯胺；

将所述泡沫聚苯胺裁成3mm×3mm×30mm的长条，将其接到所述铜导线上，得到自供电氨气传感摩擦纳米发电机。

性能测试

以60N的外力使摩擦层电极3和对摩层电极4进行碰撞，摩擦层1与对摩层2实现接触分离，输出电流达25μA，输出电压达480V，当空气中出现浓度为500ppm的氨气时，其电流降至5μA，输出电压降至160V。因此，该实施例的自供电氨气传感摩擦纳米发电机可作为低浓度氨气的传感器，实现环境中低浓度氨气泄漏的检测。

由以上实施例可知，本发明提供了一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机，本发明将摩擦纳米发电机作为供电电源，将泡沫聚苯胺连接到摩擦纳米发电机的外电路中，利用泡沫聚苯胺的阻值对氨气的响应性可实现自供电氨气传感的摩擦纳米发电机，所得到的自供电氨气传感摩擦纳米发电机具有优异的氨气响应灵敏度，能检测低至5ppm浓度的氨气，可以作为环境中检测氨气泄漏的传感器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自供电氨气传感摩擦纳米发电机，其特征在于，包括自供电部分和传感部分，所述自供电部分包括独立设置的第一供电部分和第二供电部分，所述第一供电部分包括摩擦层(1)和摩擦层电极(3)，所述摩擦层(1)和摩擦层电极(3)层叠设置，所述第二供电部分包括对摩层(2)和对摩层电极(4)，所述对摩层(2)和对摩层电极(4)层叠设置；所述传感部分包括导线(5)和泡沫聚苯胺(6)，所述摩擦层电极(3)和对摩层电极(4)通过导线(5)相连，所述泡沫聚苯胺(6)连接在所述导线(5)上；

所述泡沫聚苯胺由三维网状结构泡沫和垂直于所述三维网状结构泡沫表面生长的聚苯胺纳米线组成；

所述泡沫聚苯胺的制备方法包括以下步骤：将三维网状结构泡沫、水、苯胺、高氯酸和过硫酸铵混合，进行聚合反应，得到泡沫聚苯胺。

2.根据权利要求1所述的自供电氨气传感摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层(1)的材质为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚有机硅氧烷或聚酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的自供电氨气传感摩擦纳米发电机，其特征在于，所述对摩层(2)的材质为尼龙、聚苯乙烯、聚酯、聚氨酯或聚丙烯酸。

4.根据权利要求2或3所述的自供电氨气传感摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层(1)和对摩层(2)的厚度独立地为0.1～2.0mm。

5.根据权利要求1所述的自供电氨气传感摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦层电极(3)和对摩层电极(4)的厚度为0.1mm，所述摩擦层电极(3)和对摩层电极(4)的材质独立地为铜、铂、铝、铁、金、银、导电玻璃或石墨烯，所述导线(5)的材质为铜。

6.根据权利要求1所述的自供电氨气传感摩擦纳米发电机，其特征在于，所述聚合反应的温度为0～20℃，时间为2～48h，所述聚合反应在搅拌条件下进行，所述搅拌的速度为10～800rpm。

7.权利要求1～6任一项所述自供电氨气传感摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述摩擦层(1)的一侧表面贴合摩擦层电极(3)；

在所述对摩层(2)的一侧表面贴合对摩层电极(4)；

将所述摩擦层电极(3)和对摩层电极(4)通过导线(5)相连，将泡沫聚苯胺(6)连接到所述导线(5)上，得到自供电氨气传感摩擦纳米发电机。

8.权利要求1～7任一项所述的自供电氨气传感摩擦纳米发电机或权利要求7所述制备方法制备得到的自供电氨气传感摩擦纳米发电机在氨气检测中的应用。

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