CN112087160A - 一种基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机的制备方法 - Google Patents
一种基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机的制备方法。将纳米ZnO超声分散在离子液体中，然后在冰浴的条件下加入引发剂和丙烯酸并充分混合，之后将混合溶液转移到玻璃容器中放置在烘箱中60℃完成凝胶固化。将固化后的离子凝胶用PDMS封装，PDMS固化后连接导线，即得到基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机。该装置具有较好的透明性、拉伸性、低温自修复性能且能在较宽的温度范围内使用。即便电极发生损坏也能实现自修复使器件性能恢复，并且在寒冷的冬天依然可以正常使用。该摩擦纳米发电机可用于收集机械能并将其转化成电能为一些微小型电子设备供电，也可作为自驱动传感器用于监测人体运动状况。
Description
技术领域
本发明属于纳米能源领域，特别涉及一种基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机的制备方法。
背景技术
近年来随着科技的快速发展，电子产品不断更新换代并朝着微小型和柔性的方向发展。传统的供能方式为利用电池供电，但是随着电池数量的增加，可能使环境污染问题加剧，而且电池大多为刚性的，它们无法适应柔性电子产品的变形。基于以上因素对这些电子产品的供能提出了更高的要求。
摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，简称TENG）是一种基于摩擦起电和静电感应耦合原理将机械能转化为电能的能源装置，与传统的电磁发电机相比TENG具有结构简单、质量轻、体积小、制备成本低、高效率且工作模式多样等优点。它可收集风能、海洋能、水能、机械振动能以及雨滴的能量等并将其转化为电能用于各种微小型电子产品的供能或者作为自驱动传感器，用于健康监测、环境监测或者人机交互等。
在以往的研究中柔性摩擦纳米发电机的电极材料的选用往往局限于液态金属、水凝胶以及柔性聚合物基体掺杂导电材料制备的电极。然而，液态金属容易泄露，聚合物掺杂电极的性能受基体材料限制，而水凝胶在低温易结冰且体系内水分容易挥发使器件稳定性差且低温下无法使用。这些潜在因素影响了TENG的正常使用。
在这项工作中，我们利用离子液体的稳定性和低熔点的特性，制备了一种可拉伸、可低温自修复且可以在较宽温度范围使用的离子凝胶并将其作为TENG的电极，用PDMS封装。获得一种可低温自修复且宽温域使用的柔性TENG。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机的制备方法。
具体步骤为：
（1）按照以下重量百分比称取原料：0.5~2 wt%纳米氧化锌、67.82~69.32 wt%离子液体、30 wt%丙烯酸、0.18 wt% 过硫酸铵，上述原料重量百分比之和为100%。
（2）将步骤（1）称取的纳米氧化锌加入到步骤（1）称取的离子液体中，超声分散1h，得到分散液。
（3）将步骤（1）称取的丙烯酸和过硫酸铵加入到步骤（2）制得的分散液中，之后在冰浴条件下搅拌混合，得到混合均匀的混合溶液。
（4）将步骤（3）制得的混合溶液倒入玻璃模具中，然后在60℃的真空烘箱中固化2h，制备得到离子凝胶。
（5）将PDMS倒入模具中，控制厚度为1 mm，并在室温下固化。
（6）将步骤（4）制备的离子凝胶置于步骤（5）固化的PDMS表面，然后倒入PDMS将离子凝胶封装在内部，于室温下固化，将得到的PDMS封装离子凝胶脱除模具，然后接上导线，即获得基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机。
所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯。
所述PDMS为Sylgard 184单体和固化剂按质量比10:1混合的混合物。
本发明方法操作简单，制备的离子凝胶基TENG具有很好的透明性、拉伸性和稳定性，且在损坏后能在室温甚至低温下实现自修复；且本发明所制备的柔性TENG在-20~100℃的宽温域范围内都能正常使用。
附图说明
图1 是本发明实施例3中制得的离子凝胶自修复的照片。离子凝胶在切断后将断裂面拼接在一起，一段时间后凝胶实现自修复，修复后的离子凝胶具有很好的拉伸性。
图2 是本发明实施例3中制得的离子凝胶和水凝胶在-20℃冷冻24h前后的变化对比。所制备的离子凝胶在-20℃冷冻前后都具有很好的拉伸性和透明性，而水凝胶在-20℃下变得不能拉伸且不透明。
图3 是本发明实施例3中制得的离子凝胶和水凝胶在30℃下放置48h前后的失重比对比。所制备的离子凝胶在整个过程中重量基本不变，具有很好的稳定性。
图4 是基于离子凝胶电极的柔性TENG的结构图。由PDMS-离子凝胶-PDMS组成的类似于三明治的结构器件。
图5 是基于离子凝胶电极的柔性TENG在0.5~1.5 Hz频率下的短路电流(a)和开路电压(b)。
图6 是基于离子凝胶电极的柔性TENG和水凝胶TENG在60℃烘箱中保存24h前后输出电压的变化对比。
图7 是基于离子凝胶电极的柔性TENG的电流密度和峰值功率密度与外接电阻的关系。
图8 是用手轻拍基于离子凝胶电极的柔性TENG点亮20个LED灯的照片。
具体实施方式
实施例1：
（1）将0.5 wt%的纳米氧化锌加入到67.82 wt%的离子液体中，超声分散1 h，得到分散液。
（2）将30 wt%的丙烯酸和0.18 wt%的过硫酸铵加入到步骤（1）制得的分散液中，之后在冰浴条件下搅拌混合，得到混合均匀的混合溶液。
（3）将步骤（2）制得的混合溶液倒入玻璃模具中，然后在60℃的真空烘箱中固化2h，制备得到ZnO含量为0.5 wt%的离子凝胶。
（4）将PDMS倒入模具中，控制厚度为1 mm，并在室温下固化。
（5）将步骤（3）制备的离子凝胶置于步骤（4）固化的PDMS表面，然后倒入PDMS将离子凝胶封装在内部，于室温下固化。
（6）将步骤（5）得到的PDMS封装离子凝胶脱除模具，然后接上导线，即获得基于离子凝胶电极的的柔性摩擦纳米发电机。
实施例2：
（1）将1 wt%的纳米氧化锌加入到68.82 wt%的离子液体中，超声分散1 h，得到分散液。
（2）将30 wt%的丙烯酸和0.18 wt%的过硫酸铵加入到步骤（1）制得的分散液中，之后在冰浴条件下搅拌混合，得到混合均匀的混合溶液。
（3）将步骤（2）制得的混合溶液倒入玻璃模具中，然后在60℃的真空烘箱中固化2h，制备得到纳米氧化锌含量为1 wt%的离子凝胶。
（4）将PDMS倒入模具中，控制厚度为1 mm，并在室温下固化。
（5）将步骤（3）制备的离子凝胶裁剪成一定大小后置于步骤（4）固化的PDMS表面，然后倒入PDMS将离子凝胶封装在内部，于室温下固化。
（6）将步骤（5）得到的PDMS封装离子凝胶脱除模具，然后接上导线，即获得基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机。
实施例3：
（1）将1.5 wt%的纳米氧化锌加入到68.32 wt%的离子液体中，超声分散1 h，得到分散液。
（2）将30 wt%的丙烯酸和0.18 wt%的过硫酸铵加入到步骤（1）制得的分散液中，之后在冰浴条件下搅拌混合，得到混合均匀的混合溶液。
（3）将步骤（2）制得的混合溶液倒入玻璃模具中，然后在60℃的真空烘箱中固化2h，制备得到纳米氧化锌含量为1.5 wt%的离子凝胶。
（4）将PDMS倒入模具中，控制厚度为1 mm，并在室温下固化。
（5）将步骤（3）制备的离子凝胶裁剪成一定大小后置于步骤（4）固化的PDMS表面，然后倒入PDMS将离子凝胶封装在内部，于室温下固化。
（6）将步骤（5）得到的PDMS封装离子凝胶脱除模具，然后接上导线，即获得基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机。
实施例4：
（1）将2 wt%的纳米氧化锌加入到67.82 wt%的离子液体中，超声分散1 h，得到分散液。
（2）将30 wt%的丙烯酸和0.18 wt%的过硫酸铵加入到步骤（1）制得的分散液中，之后在冰浴条件下搅拌混合，得到混合均匀的混合溶液。
（3）将步骤（2）制得的混合溶液倒入玻璃模具中，然后在60℃的真空烘箱中固化2h，制备得到纳米氧化锌含量为2 wt%的离子凝胶。
（4）将PDMS倒入模具中，控制厚度为1 mm，并在室温下固化。
（5）将步骤（3）制备的离子凝胶裁剪成一定大小后置于步骤（4）固化的PDMS表面，然后倒入PDMS将离子凝胶封装在内部，于室温下固化。
（6）将步骤（5）得到的PDMS封装离子凝胶脱除模具，然后接上导线，即获得基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机。
Claims (1)
1.一种基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）按照以下重量百分比称取原料：0.5~2 wt%纳米氧化锌、67.82~69.32 wt%离子液体、30 wt%丙烯酸、0.18 wt% 过硫酸铵，上述原料重量百分比之和为100%；
（2）将步骤（1）称取的纳米氧化锌加入到步骤（1）称取的离子液体中，超声分散1 h，得到分散液；
（3）将步骤（1）称取的丙烯酸和过硫酸铵加入到步骤（2）制得的分散液中，之后在冰浴条件下搅拌混合，得到混合均匀的混合溶液；
（4）将步骤（3）制得的混合溶液倒入玻璃模具中，然后在60℃的真空烘箱中固化2 h，制备得到离子凝胶；
（5）将PDMS倒入模具中，控制厚度为1 mm，并在室温下固化；
（6）将步骤（4）制备的离子凝胶置于步骤（5）固化的PDMS表面，然后倒入PDMS将离子凝胶封装在内部，于室温下固化，将得到的PDMS封装离子凝胶脱除模具，然后接上导线，即获得基于离子凝胶电极的柔性摩擦纳米发电机；
所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯；
所述PDMS为Sylgard 184单体和固化剂按质量比10:1混合的混合物。
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