CN115433420A - 一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机的支撑层为亚克力板，摩擦层材料为聚四氟乙烯，还包括导线以及聚乙烯醇/银纳米线水凝胶。本发明所述聚乙烯醇/银纳米线水凝胶摩擦纳米发电机通过掺入木质素磺酸钠盐在最低破坏透明度的同时提升了物理交联下纯水凝胶的拉伸性，为了改善导电性，引入了银纳米线进行填充。本发明中所制备的聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机不仅具有高输出，拉伸性好等优点，而且有稳定的输出，可被应用于多领域。

Description

一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机
技术领域
本发明属于水凝胶摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机。
背景技术
摩擦纳米发电机（TENGs）是2012年由王中林院士及其科研团队开发的一种可将机械能转换为电能的新型发电装置，在各种能源收集器件中，TENGs已成为一种具有极大发展潜力的自供电设备。由于它能够从周围环境中获取能量并转化为电能，且具有输出电压高、成本低、结构简单等特点，这使得它们适合用于便携式的软电子设备。
近年来，由于新型材料水凝胶是一种含有大量水的三维材料，具有优异的可拉伸性、柔韧性和生物相容性，受到了研究者的广泛关注。在水凝胶中掺入导电离子、碳纳米管、石墨烯、银纳米线等导电填料，可赋予水凝胶导电特性，因此，水凝胶可作为TENGs的电极材料。然而，物理交联的水凝胶普遍存在着力学强度差的问题，容易遭到破坏导致使用寿命缩短。本发明所制备水凝胶中木质素磺酸钠盐与聚乙烯醇链间形成分子间氢键改善力学性能，提供了优异拉伸性能的水凝胶，可拉伸到原长度的1700%。不仅如此，引入具有较好比表面积，优良导电性、导热性和较好柔性的银纳米线可以进一步提高TENGs的输出性能，具有极大的发展潜力，说明该发明应用范围广泛。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，有效解决了目前水凝胶摩擦纳米发电机柔韧性差、制备方法复杂、拉伸性差的缺点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机的支撑层为亚克力板，摩擦层材料为聚四氟乙烯，还包括导线以及聚乙烯醇/银纳米线水凝胶；
聚乙烯醇/银纳米线水凝胶的制备方法包括以下步骤：
（1）将聚乙烯吡咯烷酮置于烧杯中加入乙二醇，低速搅拌至完全溶解得到S1溶液；
（2）将氯化钠添加到乙二醇中，常温搅拌均匀得到S2溶液；
（3）在混合均匀的S1溶液中加入硝酸银，至完全溶解后加入S2溶液，搅拌均匀得到S3溶液；
（4）将S3溶液转移至反应釜中，后置于烘箱反应，将反应得到的产物通过乙醇为溶剂进行离心，离心后冷冻干燥得到银纳米线；
（5）以乙醇为溶剂分散银纳米线至均匀后冷冻干燥得到产物A；
（6）将聚乙烯醇添加到去离子水中，加热搅拌得到S4溶液；
（7）将去离子水中添加木质素磺酸钠盐，常温搅拌得到S5溶液；
（8）混合S4溶液和S5溶液至均匀，倒入产物A中，冻融后得到水凝胶。
优选的，步骤（1）所述S1溶液中聚乙烯吡咯烷酮和乙二醇溶液的质量比为0.478︰28.7。
优选的，步骤（2）所述S2溶液中氯化钠和乙二醇溶液的质量比为0.0001︰1。
优选的，步骤（3）所述硝酸银和S1溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.243︰0.956；所述S2溶液和S1溶液中乙二醇的质量比为0.1︰57.4。
优选的，步骤（4）所述烘箱的温度为150℃，反应时间大于7小时。
优选的，步骤（5）中以乙醇为溶剂分散银纳米线至均匀后得到的银纳米线溶液的浓度范围为5mg~40mg/mL，冷冻干燥时间大于10小时。
优选的，所述步骤（6）所述S4溶液中聚乙烯醇和去离子水的质量比为1︰10；所述加热的温度范围为95℃~100℃。
优选的，所述步骤（7）所述木质素磺酸钠盐和去离子水的质量比为0~0.4︰2.5。
优选的，所述步骤（8）所述S4溶液和S5溶液的质量比为2︰1，所述冻融次数为三次，所述冷冻的发生时间大于11小时，所述解冻的发生时间大于1小时。
优选的，水凝胶单元上覆盖聚四氟乙烯形成第一摩擦层，水凝胶单元是将固化后的聚乙烯醇/银纳米线水凝胶切成2x2cm2的块状。
本发明的基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机包括支撑层为亚克力板，摩擦层材料为聚四氟乙烯，导线以及所制备的聚乙烯醇/银纳米线水凝胶。其中，聚乙烯醇/银纳米线水凝胶位于亚克力板上方，聚四氟乙烯覆盖在聚乙烯醇/银纳米线水凝胶上，导线位于电极和摩擦层之间。通过掺入木质素磺酸钠盐在最低破坏透明度的同时提升了物理交联下纯水凝胶的拉伸性，为了改善导电性，引入了银纳米线进行填充。
本发明产生的有益效果是，本发明的基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机在按压作用下将周围机械能转化为电能，具有输出功率高、拉伸性好等优点，并具有稳定的输出，可被应用于多领域。木质素磺酸钠盐具有丰富的羟基、磺酸、醛基等含氧官能团，是一种生态友好型的生物聚合物。它与聚乙烯醇链形成氢键作用，提高聚乙烯醇水凝胶的力学性能，引入绿色木质素增强聚乙烯醇水凝胶作为柔性应变传感器的基体材料是一种可行的制备方法。制备的聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机具有成本低、便携的特点，它可以通过与外界中呈电正性的材料进行摩擦来实现机械能向电能的转化。
附图说明
图1是实施方式中基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机的结构示意图；
其中，1-摩擦层，2-电极，3-支撑层，4-导线；
图2是实施方式中基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机实施例1的未拉伸示意图；
图3是实施方式中基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机实施例1的拉伸示意图；
图4是实施方式中基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机实施例1的电压输出示意图；
图5是实施方式中基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机实施例1的电流输出示意图；
图6是实施方式中基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机实施例1的电荷输出示意图；
图7是实施方式中基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机实施例1中掺杂银纳米线XRD示意图；
图8是实施方式中基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机实施例1中掺杂银纳米线紫外吸收示意图；
图9是实施方式中基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机实施例1-5的电压输出对比示意图；
图10是实施方式中基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机实施例1和对比例1-4的电压输出对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本公开做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本公开。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
实施例1
本发明提供了一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机的支撑层为亚克力板，摩擦层材料为聚四氟乙烯，还包括导线以及聚乙烯醇/银纳米线水凝胶；
聚乙烯醇/银纳米线水凝胶的制备方法包括以下步骤：
步骤（1）称取1.912g聚乙烯吡咯烷酮溶解于114.8mL乙二醇溶液中配置成S1溶液；
步骤（2）称取0.002g氯化钠溶解于20mL乙二醇溶液中，搅拌均匀形成S2溶液；
步骤（3）将0.486g硝酸银加入至溶解均匀的S1溶液中搅拌，接着将步骤（2）中2mL的S2溶液加入其中，室温搅拌均匀得到S3溶液；
步骤（4）将所形成的S3溶液转移至反应釜中，置于150℃的烘箱中反应7h后取出进行离心，离心完成后冷冻干燥得到银纳米线；
步骤（5）将得到的银纳米线以10mg/mL进行分散，分散均匀后冷冻干燥得到产物A；
步骤（6）称取2.2g聚乙烯醇溶解于去离子水中配置成10%的S4溶液；
步骤（7）称取0.1g木质素磺酸钠盐溶解于2.5mL去离子水中配置S5溶液；
步骤（8）将步骤（6）中的S4溶液与步骤（7）中的S5溶液以2︰1的比例混合至均匀倒入产物A中，冻融三次得到水凝胶。
将制备的单电极摩擦纳米发电机的导线连接外部电路，外部电路的另一端接地，以此来检测所制备的单电极摩擦纳米发电机的输出性能。
实施例2
本实施例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤（5）中以乙醇为溶剂分散银纳米线至均匀后得到的银纳米线溶液的浓度为5mg/mL。
实施例3
本实施例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤（5）中以乙醇为溶剂分散银纳米线至均匀后得到的银纳米线溶液的浓度为20mg/mL。
实施例4
本实施例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤（5）中以乙醇为溶剂分散银纳米线至均匀后得到的银纳米线溶液的浓度为30mg/mL。
实施例5
本实施例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于：步骤（5）中以乙醇为溶剂分散银纳米线至均匀后得到的银纳米线溶液的浓度为40mg/mL。基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机实施例1-5的电压输出对比示意图如图9所示。
对比例1
本对比例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于不添加银纳米线溶液，且步骤（7）中的木质素磺酸钠盐与去离子水的质量比为0︰2.5。
本对比例制备的聚乙烯醇/银纳米线水凝胶的导电能力比实施例1的差，如图10中LAS1所示。
对比例2
本对比例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于不添加银纳米线溶液，且步骤（7）中的木质素磺酸钠盐与去离子水的质量比为0.2︰2.5。
本对比例制备的聚乙烯醇/银纳米线水凝胶的导电能力比实施例1的差，如图10中LAS3所示。
对比例3
本对比例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于不添加银纳米线溶液，且步骤（7）中的木质素磺酸钠盐与去离子水的质量比为0.3︰2.5。
本对比例制备的聚乙烯醇/银纳米线水凝胶的导电能力比实施例1的差，如图10中LAS4所示。
对比例4
本对比例的制备方法参考实施例1，与实施例1的区别在于不添加银纳米线溶液，且步骤（7）中的木质素磺酸钠盐与去离子水的质量比为0.4︰2.5。
本对比例制备的聚乙烯醇/银纳米线水凝胶的导电能力比实施例1的差，如图10中LAS5所示。

Claims (10)

1.一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机的支撑层为亚克力板，摩擦层材料为聚四氟乙烯，还包括导线以及聚乙烯醇/银纳米线水凝胶；
聚乙烯醇/银纳米线水凝胶的制备方法包括以下步骤：
（1）将聚乙烯吡咯烷酮置于烧杯中加入乙二醇，低速搅拌至完全溶解得到S1溶液；
（2）将氯化钠添加到乙二醇中，常温搅拌均匀得到S2溶液；
（3）在混合均匀的S1溶液中加入硝酸银，至完全溶解后加入S2溶液，搅拌均匀得到S3溶液；
（4）将S3溶液转移至反应釜中，后置于烘箱反应，将反应得到的产物通过乙醇为溶剂进行离心，离心后冷冻干燥得到银纳米线；
（5）以乙醇为溶剂分散银纳米线至均匀后冷冻干燥得到产物A；
（6）将聚乙烯醇添加到去离子水中，加热搅拌得到S4溶液；
（7）将去离子水中添加木质素磺酸钠盐，常温搅拌得到S5溶液；
（8）混合S4溶液和S5溶液至均匀，倒入产物A中，冻融后得到水凝胶。
2.如权利要求1所述一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，其特征在于：步骤（1）所述S1溶液中聚乙烯吡咯烷酮和乙二醇溶液的质量比为0.478︰28.7。
3.如权利要求1所述一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，其特征在于：步骤（2）所述S2溶液中氯化钠和乙二醇溶液的质量比为0.0001︰1。
4.如权利要求1所述一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，其特征在于：步骤（3）所述硝酸银和S1溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.243︰0.956；所述S2溶液和S1溶液中乙二醇的质量比为0.1︰57.4。
5.如权利要求1所述一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，其特征在于：步骤（4）所述烘箱的温度为150℃，反应时间大于7小时。
6.如权利要求1所述一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，其特征在于：步骤（5）中以乙醇为溶剂分散银纳米线至均匀后得到的银纳米线溶液的浓度范围为5mg~40mg/mL，冷冻干燥时间大于10小时。
7.如权利要求1所述一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，其特征在于：所述步骤（6）所述S4溶液中聚乙烯醇和去离子水的质量比为1︰10；所述加热的温度范围为95℃~100℃。
8.如权利要求1所述一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，其特征在于：所述步骤（7）所述木质素磺酸钠盐和去离子水的质量比为0~0.4︰2.5。
9.如权利要求1所述一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，其特征在于：所述步骤（8）所述S4溶液和S5溶液的质量比为2︰1，所述冻融次数为三次，所述冷冻的发生时间大于11小时，所述解冻的发生时间大于1小时。
10.如权利要求1所述一种基于聚乙烯醇/银纳米线摩擦纳米发电机，其特征在于：水凝胶单元上覆盖聚四氟乙烯形成第一摩擦层，水凝胶单元是将固化后的聚乙烯醇/银纳米线水凝胶切成2x2cm2的块状。
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