MXene界面耦合增强式风能发电机及制备和工作方法 |
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| 申请号 | CN202210890953.4 | 申请日 | 2022-07-27 | 公开(公告)号 | CN115149844B | 公开(公告)日 | 2024-03-26 |
| 申请人 | 电子科技大学; | 发明人 | 苏元捷; 李惟雄; 谢光忠; 代静; 黄俊龙; 陈春旭; 太惠玲; 杜晓松; 蒋亚东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出一种MXene界面耦合增强式 风 能 发 电机 及制备方法和工作方法。发电机主体从下至上包括底 电极 、第二纳米复合 薄膜 、谐振片、第一纳米复合薄膜、顶电极，上、下发电机共用谐振片，第一复合薄膜与第二复合薄膜是压电 聚合物 和二维材料MXene的复合物，在PVDF流延 固化 过程中利用MXene表面和压电聚合物分子链中官能团之间的氢键作用，诱导α相向β相转化，进而提升复合薄膜的压电系数d33。同时，MXene会提升 复合材料 的 介电常数 ε33。压电系数d33的增加将提升压电式换能效率，而介电常数ε33的增加将提升摩擦电式换能效率。本发明充分利用了谐振片与上下表面摩擦和 挤压 运动的 能量 ，提升了 能量收集 效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种MXene界面耦合增强式风能发电机，其特征在于：包括主体发电机，主体发电机从下至上包括底电极(6)、第二纳米复合薄膜(5)、谐振片(4)、第一纳米复合薄膜(2)、顶电极(1)，底电极(6)、第二纳米复合薄膜(5)、谐振片(4)构成下发电机，谐振片(4)、第一纳米复合薄膜(2)、顶电极(1)构成上发电机，上、下发电机共用谐振片(4)；主体发电机的上、下、前、后侧由透明外壳(3)密封，主体发电机左、右侧的开口分别为进风口(10)和出风口(11)；从进风口到出风口的方向为风流方向； |
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| 说明书全文 | MXene界面耦合增强式风能发电机及制备和工作方法技术领域背景技术[0002] 传统的供电方式是发电厂利用高密度的、有序的、高质量的低熵能源，如煤炭、石油的燃烧带动热机进而产生电能，送往诸如工厂、学校等固定场所。而物联网的出现、移动通信的普及，使得物体传感器分布广泛且随时可能移动。虽然操作每个传感器所需的功率很小，通常是微瓦到瓦的范围，但其数量巨大，这使得小型器件的能源需求变成了分布式的、无序的、无线的高熵能源。针对能源需求形式的转变，如何有效的获得这种能源是我们迫在眉睫的课题。 [0004] 压电‑摩擦电纳米发电机作为能量收集装置，其应用很大程度上取决于其输出功率。对于压电效应，表面电荷密度与压电系数成正比；对于摩擦电效应，功率密度与表面摩擦电荷密度呈二次方关系。 [0005] PVDF是一种半结晶聚合物，由CH2＝CF2单体聚合而成，在不同的晶格类型和链构象中具有五个结晶相(α，β，γ，δ和ε)。对于β相的PVDF，由于‑CF2排列在分子链的同一侧‑CH2排列在另一侧，因此具有最大的极性，也具备最大的压电性，其压电系数d33约为29pC/N。然而，市面上的PVDF多为α相，其‑CF2与‑CH2交替排列在分子链两侧，因此不具备压电性能。为了在PVDF中获得更高比例的β相，各种各样的策略已经被采用，如原位极化、热拉伸和高电场。然而这些工艺无疑会提高能耗和成本。 [0006] MXenes是一类具有类石墨烯结构的过渡金属碳化物二维纳米材料。通常，MXenes的化学式为Mn+1XnTx(n＝1‑4)，其中M代表前过渡金属(Ti、V、Nb等)，X代表碳或氮，Tx表示不同的表面终端基团(‑OH、＝O、‑F等)。MXene纳米片表面有羟基或末端氧，因此具有过渡金属碳化物的金属导电性，在增强电化学性能方面的显着优势在于其较大的比表面积和良好的机械强度，在充电/放电过程中促进电子和离子的传输而不会损坏结构。 [0007] 利用MXene诱导增强聚合物薄膜的压电系数(d33)与介电常数(ε33)可以进一步提高压电‑摩擦电纳米发电机的输出性能，扩展其应用范围。由于这个过程是自发的，不需要额外的能量和繁琐的工艺。从微观层面设计聚合物材料结构的方法操作简单、成本低廉、实用性高，改善了压电‑摩擦纳米发电机的应用前景，扩大了应用范围，为压电‑摩擦电纳米发电机的优化提供了一个新的研究方向。 发明内容[0008] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供了一种利用MXene材料增强风能发电机换能效率的方法。 [0009] 为实现上述发明目的，本发明技术方案如下： [0010] 一种MXene界面耦合增强式风能发电机，包括主体发电机， [0011] 主体发电机从下至上包括底电极6)、第二纳米复合薄膜5、谐振片4、第一纳米复合薄膜2、顶电极1，底电极6、第二纳米复合薄膜5、谐振片4构成下发电机，谐振片4、第一纳米复合薄膜2、顶电极1构成上发电机，上、下发电机共用谐振片4；主体发电机的上、下、前、后侧由透明外壳3密封，主体发电机左、右侧的开口分别为进风口10和出风口11；从进风口到出风口的方向为风流方向； [0013] 底电极6上表面的第二纳米复合薄膜5与顶电极1下表面上的第一纳米复合薄膜2为同种材料； [0014] 第一纳米复合薄膜2和第二纳米复合薄膜5是压电聚合物和二维材料MXene的复合物，在复合物固化过程中借助MXene表面的官能团和压电聚合物之间的氢键作用，诱导α相压电聚合物向β相转化，提升压电聚合物的压电系数d33，压电系数d33的增加将提升压电换能效率；引入MXene会提升纳米复合薄膜的介电常数ε33，介电常数ε33的增加将提升摩擦电换能效率； [0015] 风流进入风能发电机后引起谐振片震动，谐振片与所述两个纳米复合薄膜之间有靠近和挤压两个过程，靠近过程引起摩擦电输出，挤压过程引起压电输出，纳米复合薄膜压电极性方向与其摩擦电极性方向一致，使输出信号在外电路中正向叠加，实现对靠近与挤压两个过程的能量收集。 [0016] 作为优选方式，MXene材料为Ti3C2、Ti2C、Nb2C、Nb4C3、V2C、V4C3其中一种MXene材料。 [0017] 作为优选方式，包括固定在主体发电机上表面的方向舵发电机8； [0019] 作为优选方式，第一纳米复合薄膜2和第二纳米复合薄膜5的二维材料MXene通过如下步骤制备： [0020] (1.1)取6‑10mol/L稀盐酸溶液，加入2‑7wt％LiF搅拌5‑15min得到HF溶液； [0021] (1.2)加入2‑6wt％Ti3AlC2并在30‑40℃水浴条件下搅拌20‑30h，得到混合溶液； [0022] (1.3)将混合溶液以3000‑5000rpm、2‑5min/次进行离心分离并重复5‑6次； [0024] 作为优选方式，第一纳米复合薄膜2和第二纳米复合薄膜5的压电聚合物和二维材料MXene的复合薄膜通过如下步骤制备： [0026] (1.6)加入聚偏氟乙烯PVDF颗粒，占溶液质量分数5‑20wt％，在40‑60℃水浴条件下磁力搅拌1‑3h，使其完全溶解，再超声10‑30min以获得均匀稳定的混合溶液；MXene和PVDF的质量比为1:39，即MXene占2.5wt％； [0027] (1.7)将混合溶液均匀铺倒在玻璃基板上； [0028] (1.8)电晕极化，场强8kV/cm，同时在30℃‑60℃加热，干燥0.5‑5h； [0029] (1.9)将干燥后的薄膜揭下来，得到第一纳米复合薄膜2和第二纳米复合薄膜5薄膜。 [0030] 作为优选方式，聚合物薄膜材料的压电聚合物选自聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟乙烯(PTrFE)、聚偏二氟乙烯‑共三氟乙烯P(VDF‑TrFE)、聚偏二氟乙烯‑共六氟丙烯P(VDF‑HFP)其中一种。 [0032] 作为优选方式，主体发电机底部由支撑托盘9支撑。 [0033] 本发明还提供一种所述MXene界面耦合增强式风能发电机的制备方法，包括如下步骤： [0034] (1.1)取四块矩形透明外壳板，四块透明外壳板均为刚性板； [0035] (1.2)在两块透明外壳板的一面上印刷铝、或银、或铜电极，作为顶电极和底电极； [0036] (1.3)将第二纳米复合薄膜置于底电极上，第一纳米复合薄膜置于顶电极上，使用胶带封装薄膜与电极； [0037] (1.4)将底电极与顶电极相向分开放置，使底电极面对顶电极，四块矩形透明外壳板沿长边粘合，形成一个中空的长方体结构； [0039] (1.6)在长方体顶部中轴线上，靠近出风口的一侧安装方向舵发电机，放置方式与下方发电机垂直； [0041] 本发明还提供一种MXene界面耦合增强式风能发电机的工作方法，其为： [0042] 风从进风口进入发电机后，谐振片与上下两个纳米复合薄膜之间有靠近和挤压两个过程，靠近过程引起摩擦电输出，挤压过程引起压电输出，纳米复合薄膜压电极性方向与其摩擦电极性方向一致，使输出信号在外电路中正向叠加，实现靠近与挤压两个过程的能量收集； [0043] 当风流方向不与进风口垂直时，风流吹至方向舵发电机8时产生一个带动方向舵发电机8和主体发电机旋转的扭矩，使方向舵发电机8和主体发电机旋转，直至二者旋转到使得进风口朝向风速最大的方向，即方向舵发电机8和主体发电机的进风口垂直于风流方向，使压电和摩擦电双模态的能量收集达到最大效率； [0044] 即使风从正对出风口方向吹来，由于作为方向舵的发电机内部的谐振片可以在水平方向上活动，进而使方向舵内部不对称、谐振片两侧受力不均匀，又因为方向舵在主体器件靠近出风口的尾部，巨大的扭矩使发电机实现180°转向。 [0045] 本发明提供的纳米复合薄膜在按压、旋转、滑动、隔空式、单电极、双电极纳米发电机中均具有提升输出性能的功能。 [0046] 本发明的工作原理如下： [0047] 通过引入MXene纳米片来引导压电聚合物复合材料的局部偶极矩进而提升压电聚合物中的高压电性能相(β相)的含量。由于MXene纳米片表面具有足够的氧基(＝O)、羟基(‑OH)和氟基(‑F)等官能团，将MXene纳米片掺入聚合物中有利于压电聚合物分子中‑CH2和‑CF2与MXene表面的官能团产生偶极‑偶极作用力(氢键作用)，从而增强了制备的聚合物复合材料的净自发极化(图5)。 [0048] 从图7可以看出，引入适量的MXene可以增强压电系数(d33)和有效介电常数(ε33)。而继续增加用量会导致MXene纳米片堆叠并抑制聚合物链的取向和排列。同时，这些堆叠的MXene薄片会使得薄膜上下表面导通产生漏电流，从而降低复合材料的有效介电常数(ε33)和压电系数(d33)。 [0049] 对于压电效应，表面电荷密度与压电系数成正比，如公式(1)所示： [0050] Q＝d33×F (1) [0051] 其中，Q为薄膜表面的感应电荷量；d33为压电薄膜的压电系数；F为垂直于薄膜表面的作用力。从公式(1)可以看出，其他条件一定，当压电系数d33升高时，压电输出电荷量增加。 [0053] [0054] 其中，Q是感应电位驱动的两个电极之间转移的电荷量，S是有效面积，ε0是真空介电常数,σ是聚合物薄膜表面电荷密度。x是极板分离距离，它是时间t的函数。 [0055] d0是有效介电厚度，定义为两个金属电极之间的所有介电厚度di除以其相对有效厚度εri的总和，如下所示： [0056] [0057] 从公式(3)可以看出，其他条件一定，引入适量MXene后，复合薄膜的介电常数εr升高，其摩擦电输出电压V得到增强。 [0058] 综上所述，在适量引入MXene后，复合薄膜的压电(d33)与摩擦电(ε33)输出性能都将得到极大的提高(图8)。 [0059] 器件整体的外观设计有以下优点：当风流方向不与进风口垂直时，风流吹至方向舵发电机8时产生一个带动方向舵发电机8和主体发电机旋转的扭矩，使方向舵发电机8和主体发电机旋转，直至二者旋转到使得进风口朝向风速最大的方向，即方向舵发电机8和主体发电机的进风口垂直于风流方向，使压电和摩擦电双模态的能量收集达到最大效率。即使风从正对出风口方向吹来，由于作为方向舵的发电机内部的谐振片可以在水平方向上活动，进而使方向舵内部不对称、谐振片两侧受力不均匀，又因为方向舵在主体器件靠近出风口的尾部，巨大的扭矩使发电机可以实现180°转向。 [0060] 本发明的有益效果为：本发明给出了一种MXene界面耦合增强式风能发电机及利用MXene界面耦合增强风能发电机换能效率的方法，该方法操作简单，实用性高，成本低廉，可加工性强，可靠性高，为压电‑摩擦纳米发电机的优化提供了一个新的发展方向。与以往的摩擦纳米发电机的优化工作相比，本发明从微观层面改善了压电‑摩擦层材料微观结构，通过MXene诱导增强聚合物薄膜的压电与摩擦电性能。由于这个过程是自发的，不需要额外的能量和繁琐的工艺。从微观层面设计聚合物材料结构的方法操作简单、成本低廉、实用性高，改善了压电‑摩擦纳米发电机的应用前景，扩大了应用范围，为压电‑摩擦电纳米发电机的优化提供了一个新的研究方向。附图说明 [0061] 图1为本发明的风能发电机的结构示意图；其中(a)为整体结构示意图，(b)为俯视图，(c)为去掉底座的仰视图，(d)为侧视图； [0062] 1为顶电极；2为第一纳米复合薄膜；3为透明外壳；4为谐振片；5为第二纳米复合薄膜：6为底电极：7为底座；8为方向舵发电机；9为支撑托盘；10为进风口，11为出风口。 [0063] 图2为本发明发电机结构分解示意图；其中(a)发电机结构3D示意图、(b)发电机横截面示意图； [0064] 图3为纳米发电机运动过程示意图； [0065] 图4为一个工作循环中电子流动方向的示意图； [0066] 图5为发电机复合薄膜中MXene诱导PVDF取向的示意图； [0067] 图6为开尔文探针力显微镜(KPFM)观察到MXene诱导PVDF取向的表征情况：(a)地形图像、(b)高度剖面、(c)电位剖面、(d)电位图像； [0068] 图7复合薄膜压电系数，介电常数的实验以及相场模拟结果；(a)实验测得压电系数d33、(b)实验测得介电常数ε33、(c)相场模拟的d33和ε33； [0069] 图8为掺杂MXene改性前后薄膜输出能力的对比；(a)电压、(b)电流。 具体实施方式[0070] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 [0071] 图6为开尔文探针力显微镜(KPFM)观察MXene诱导PVDF取向的表征情况，利用KPFM表征能直接看到PVDF与MXene的交界面处出现β相。中间的颗粒是MXene，周围是PVDF。远离MXene的PVDF(α相)和MXene附近的PVDF(β相)电位不同。这是一种能直接观察到MXene诱导PVDF的表征方法。 [0072] 实施例1 [0073] 本实施例提供一种MXene界面耦合增强式风能发电机，包括主体发电机， [0074] 主体发电机从下至上包括底电极6、第二纳米复合薄膜5、谐振片4、第一纳米复合薄膜2、顶电极1，底电极6、第二纳米复合薄膜5、谐振片4构成下发电机，谐振片4、第一纳米复合薄膜2、顶电极1构成上发电机，上、下发电机共用谐振片4；主体发电机的上、下、前、后侧由透明外壳3密封，主体发电机左、右侧的开口分别为进风口10和出风口11；从进风口到出风口的方向为风流方向； [0075] 谐振片4为铝箔、软质绝缘塑料片、铝箔形成的三明治柔性结构，软质绝缘塑料片使上下两个发电机的电荷转移互不干扰；谐振片4在靠近进风口的一端固定在透明外壳上、另一端自由摆动； [0076] 底电极6上表面的第二纳米复合薄膜5与顶电极1下表面上的第一纳米复合薄膜2为同种材料； [0077] 第一纳米复合薄膜2和第二纳米复合薄膜5是压电聚合物和二维材料MXene的复合物，在复合物固化过程中借助MXene表面的官能团和压电聚合物之间的氢键作用，诱导α相压电聚合物向β相转化，提升压电聚合物的压电系数d33，压电系数d33的增加将提升压电换能效率；引入MXene会提升纳米复合薄膜的介电常数ε33，介电常数ε33的增加将提升摩擦电换能效率； [0078] 风流进入风能发电机后引起谐振片震动，谐振片与所述两个纳米复合薄膜之间有靠近和挤压两个过程，靠近过程引起摩擦电输出，挤压过程引起压电输出，纳米复合薄膜压电极性方向与其摩擦电极性方向一致，使输出信号在外电路中正向叠加，实现对靠近与挤压两个过程的能量收集。 [0079] MXene材料为Ti3C2、Ti2C、Nb2C、Nb4C3、V2C、V4C3其中一种MXene材料。 [0080] 包括固定在主体发电机上表面的方向舵发电机8； [0081] 主体发电机绕风流方向旋转90°并缩小后得到方向舵发电机8，方向舵发电机8的重心位于靠近出风口11的一端；方向舵发电机8的重心位于主体发电机平行于风流方向的中轴线上。 [0082] 聚合物薄膜材料的压电聚合物选自聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟乙烯(PTrFE)、聚偏二氟乙烯‑共三氟乙烯P(VDF‑TrFE)、聚偏二氟乙烯‑共六氟丙烯P(VDF‑HFP)其中一种。 [0083] 顶电极和底电极的材料为铜、或铝、或银金属。 [0084] 主体发电机底部由支撑托盘9支撑。 [0085] 本实施例的工作原理为：风从进风口进入发电机后，谐振片与上下两个纳米复合薄膜之间有靠近和挤压两个过程，靠近过程引起摩擦电输出，挤压过程引起压电输出，纳米复合薄膜压电极性方向与其摩擦电极性方向一致，使输出信号在外电路中正向叠加，实现靠近与挤压两个过程的能量收集； [0086] 当风流方向不与进风口垂直时，风流吹至方向舵发电机8时产生一个带动方向舵发电机8和主体发电机旋转的扭矩，使方向舵发电机8和主体发电机旋转，直至二者旋转到使得进风口朝向风速最大的方向，即方向舵发电机8和主体发电机的进风口垂直于风流方向，使压电和摩擦电双模态的能量收集达到最大效率； [0087] 即使风从正对出风口方向吹来，由于作为方向舵的发电机内部的谐振片可以在水平方向上活动，进而使方向舵内部不对称、谐振片两侧受力不均匀，又因为方向舵在主体器件靠近出风口的尾部，巨大的扭矩使发电机实现180°转向。 [0088] 实施例2 [0089] 本实施例提供一种MXene界面耦合增强式风能发电机，其与实施例1的区别在于：第一纳米复合薄膜2和第二纳米复合薄膜5的二维材料MXene通过如下步骤制备： [0090] (1.1)取6‑10mol/L稀盐酸溶液，加入2‑7wt％LiF搅拌5‑15min得到HF溶液； [0091] (1.2)加入2‑6wt％Ti3AlC2并在30‑40℃水浴条件下搅拌20‑30h，得到混合溶液； [0092] (1.3)将混合溶液以3000‑5000rpm、2‑5min/次进行离心分离并重复5‑6次； [0093] (1.4)使用过滤孔小于0.45μm滤纸抽滤，并在35‑45℃真空条件下干燥12‑24h后得到二维材料MXene。 [0094] 第一纳米复合薄膜2和第二纳米复合薄膜5的压电聚合物和二维材料MXene的复合薄膜通过如下步骤制备： [0095] (1.5)将MXene粉末溶解在体积比2:3的丙酮与N,N‑二甲基甲酰胺的混合液中，超声处理10‑30min，保证纳米颗粒的分散性； [0096] (1.6)加入聚偏氟乙烯PVDF颗粒，占溶液质量分数5‑20wt％，在40‑60℃水浴条件下磁力搅拌1‑3h，使其完全溶解，再超声10‑30min以获得均匀稳定的混合溶液；MXene和PVDF的质量比为1:39，即MXene占2.5wt％； [0097] (1.7)将混合溶液均匀铺倒在玻璃基板上； [0098] (1.8)电晕极化，场强8kV/cm，同时在30℃‑60℃加热，干燥0.5‑5h； [0099] (1.9)将干燥后的薄膜揭下来，得到第一纳米复合薄膜2和第二纳米复合薄膜5薄膜。 [0100] 实施例3 [0101] 本实施例提供一种所述MXene界面耦合增强式风能发电机的制备方法，包括如下步骤： [0102] (1.1)取四块矩形透明外壳板，四块透明外壳板均为刚性板； [0103] (1.2)在两块透明外壳板的一面上印刷铝、或银、或铜电极，作为顶电极和底电极； [0104] (1.3)将第二纳米复合薄膜置于底电极上，第一纳米复合薄膜置于顶电极上，使用胶带封装薄膜与电极； [0105] (1.4)将底电极与顶电极相向分开放置，使底电极面对顶电极，四块矩形透明外壳板沿长边粘合，形成一个中空的长方体结构； [0106] (1.5)通过支撑装置在上下底板之间固定谐振片，固定谐振片靠近进风口的一侧，其他三边均可自由活动； [0107] (1.6)在长方体顶部中轴线上，靠近出风口的一侧安装方向舵发电机，放置方式与下方发电机垂直； [0108] (1.7)发电机整体固定在转盘上，转轴的位置为长方体的几何中心，使整个发电机重心的投影落在支撑面内。 [0109] 实施例4 [0110] 本实施例提供一种MXene界面耦合增强式风能发电机，其与实施例1的区别在于：第一纳米复合薄膜2和第二纳米复合薄膜5通过如下步骤制备： [0111] (1)取9mol/L稀盐酸溶液，加入5wt％LiF搅拌10min得到HF溶液； [0112] (2)加入3wt％Ti3AlC2并在35℃水浴条件下搅拌24h，得到混合溶液； [0113] (3)将混合溶液以5000rpm，3min/次进行离心分离并重复5次； [0114] (4)使用过滤孔小于0.45μm滤纸抽滤，并在45℃真空条件下干燥24h得到二维材料MXene； [0115] (5)将MXene粉末溶解在体积比2:3的丙酮与N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)的混合液中，超声处理30min，保证纳米颗粒的分散性； [0116] (6)加入聚偏氟乙烯(PVDF)颗粒，占溶液质量分数5‑20wt％，在40‑60℃水浴条件下磁力搅拌1‑3h，使其完全溶解，再超声30min以获得均匀稳定的混合溶液。MXene和PVDF的质量比为1:39，即MXene占2.5wt％； [0117] (7)将混合溶液均匀铺倒在10cm×10cm玻璃基板上； [0118] (8)电晕极化，场强8kV/cm，同时30℃‑60℃加热干燥0.5‑5h，温度越高固化越快。 [0119] (9)将干燥后的薄膜揭下来，得到MXene/PVDF薄膜。 [0120] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵。 |
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