天然生物材料纳米发电机的制备与应用研究

作     者：马嫣然 

作者单位：安徽大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪春昌

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：纳米发电机 生物材料 自供电传感器 鸡骨 壳聚糖 

摘      要：随着科技的发展,越来越多的电子器件进入到人们的日常生活中。而作为电力来源主力的传统化石燃料因长期开采而匮乏,新兴绿色能源诸如风能,水力,太阳能则对设备场地有着高要求。而纳米发电机作为一种很有前途的能量收集转换装置,可以通过收集外部环境微小刺激的机械能转化为电能,具有输出稳定、结构简单、成本低等多项优点,目前已在多领域取得成果。 相较于传统压电材料与石油基材料,天然生物聚合物因其压电性、摩擦电性、无毒性、生物相容性、生物降解性和可持续性等优异特性而成为纳米发电机设计的重要候选材料之一。在压电纳米发电机方面选用了生物废料鸡骨作为压电材料,其主要成分胶原蛋白具有压电性,摩擦纳米发电机选用了材料壳聚糖并使用柠檬酸对其改性,研究结果如下: (1)通过脱矿干燥处理去除了鸡骨中以羟基磷灰石为主的无机矿物质,留下胶原蛋白,其类型为I型胶原蛋白。对鸡骨进行了介电测试,其表现出较佳的介电性能。制备出鸡骨纳米发电机,对其进行电气性能测试:在30 N的压力下鸡骨纳米发电机的输出电压为1.25 V,输出电流为9 nA;在一定冲击频率下,其与所受力大小成正相关关系。鸡骨纳米发电机的成功制备证明这种方法在生物废物利用中具有一定前景,为生物废物处理提供了一种新的方法。 (2)通过调整壳聚糖与柠檬酸比例,促使柠檬酸与壳聚糖交联形成网状结构,降低了其吸水性,添加丙三醇作为增塑剂,相较纯壳聚糖膜提高了壳聚糖耐湿性、防水性,制备成摩擦纳米发电机后,验证其电气输出随柠檬酸含量添加而增大,并基于其优点制备出人体运动能量收集与人体运动监测传感器和自供电触摸传感器。