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PDA/rGO水凝胶的制备及能量收集和自供电传感应用

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复合材料学报 2024年

作者：王东岳丽丽唐淳姜燕江苏大学材料科学与工程学院河南中医药大学药学院江苏大学土木工程与力学学院

传统的供电方式限制了可穿戴电子设备的快速发展，直接从周围环境中收集能量被认为是最有潜力的能源供给方式。利用多巴胺（DA）还原氧化石墨烯（GO），通过水浴加热成功制备了聚多巴胺/还原氧化石墨烯（PDA/rGO）水凝胶。在流变性能分... 详细信息

传统的供电方式限制了可穿戴电子设备的快速发展，直接从周围环境中收集能量被认为是最有潜力的能源供给方式。利用多巴胺（DA）还原氧化石墨烯（GO），通过水浴加热成功制备了聚多巴胺/还原氧化石墨烯（PDA/rGO）水凝胶。在流变性能分析中，观察到样品的储能模量G'明显大于其损耗模量G''，表明其具有凝胶态结构。对其溶胀性、粘附性和自愈性进行分析，发现制备的PDA/rGO水凝胶对水和NaCl溶液均有良好的溶胀性，其中对水的溶胀率高达900%，且PDA的存在赋予该水凝胶良好的自黏附性和自愈能力。进一步对其能量收集和自供电传感性能进行了研究，结果表明：NaCl溶液溶胀的PDA/rGO水凝胶在外加压力作用下，可以产生明显的电能输出，输出的电流和电压随着NaCl溶液浓度和外加压力的的增加而增大，在0.05 mol/L NaCl溶液环境下的10 g加压下，观察到平均输出电流和电压分别为0.40 μA和0.54 mV。此外，该水凝胶的电阻对外加压力的变化也显示出敏感的响应。这些结果证明了PDA/rGO水凝胶在能量收集和自供电传感领域中有着良好的应用潜力。

关键词：氧化石墨烯聚多巴胺水凝胶能量收集自供电传感

纤维素摩擦电材料的制备及其用于高湿环境自供电传感

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纤维素摩擦电材料的制备及其用于高湿环境自供电传感

作者：陈祥辉广西大学

学位级别：硕士

随着物联网行业的发展和智能家居设备的现代化,传感器在智能电子设备、食品加工和环境保护等方面得到巨大发展。其中湿度传感器已经用于准确测量不同生活或工业生产环境中的水分含量,已经在确保食品安全,维持生活舒适度以及控制工业制... 详细信息

随着物联网行业的发展和智能家居设备的现代化,传感器在智能电子设备、食品加工和环境保护等方面得到巨大发展。其中湿度传感器已经用于准确测量不同生活或工业生产环境中的水分含量,已经在确保食品安全,维持生活舒适度以及控制工业制造质量等方面起着至关重要的作用。然而,目前的湿度传感技术仍存在需要外部电源和可供选择湿度敏感材料较少等瓶颈问题,严重制约了湿度传感器的规模化应用,提高了湿度检测工作的成本和复杂性。基于这些问题,迫切需要开发一种低廉和高效的自供电湿度传感器。本文以竹材多孔结构中的纤维素三维多孔骨架作为湿敏材料的载体,合成了具有分层多孔结构的纤维素/TiCT复合湿敏摩擦电材料。将该材料用于制备摩擦纳米发电机(TENG)的正极摩擦电材料,构建了一种自供电湿度传感器。基于湿敏纤维素摩擦电材料和TENG可以实现宽范围和无外部电源湿度检测。本论文主要包括以下两个方面的工作:(1)利用过氧化氢-乙酸(HPAC)体系去除竹子中的木质素,制备纤维素支架。探究了HPAC法对竹子中木质素脱除的作用效果和具体影响。研究发现,增加反应时间,升高温度以及提高过氧化氢和乙酸的用量都可以促进木质素去除。最佳工艺为:过氧化氢和乙酸溶液体积比为1:1、反应时间为8 h、反应温度60℃时木质素的去除率最高,其木质素去除率可到达95.52%,纤维素支架产生明显的孔隙结构。且制备的纤维素支架具有稳定的热稳定性能;并随着木质素去除程度增加,材料的孔隙率和平均孔径大小均随之增加。(2)以纤维素材料为支架,制备了一种具有湿敏特性的纤维素基摩擦电材料,并基于此材料开发一种用于湿度检测的TENG。纤维素支架丰富的羟基基团和独特的孔隙结构为TiCT湿敏材料提供了丰富的吸附位点。该湿敏摩擦电材料,能够在较宽的湿度范围(相对湿度:40%–90%RH)内准确识别环境中水分含量的变化,并展现出高灵敏度(0.8V/1%)、高稳定性(150 s)的优异性能。此外,基于湿敏摩擦电材料的TENG在高湿度下具有良好的稳定性和耐久性,通过将输出电信号无线传输到用户界面,能够实时监测环境湿度的变化,为实时自供电可视化湿度监测提供便捷。这项工作对实现木质纤维高值化利用具有积极的推动作用,并在自供电湿度检测系统以及环境监测等方面展现出巨大的应用潜力。

关键词：纤维素模板纤维素摩擦电材料复合材料自供电传感

造纸过程微纳能源收集及其在自供电浆浓传感中的应用研究

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中国造纸 2023年第5期42卷 1-6页

作者：罗斌邵宇正刘涛蔡晨晨刘艳华刘肇蒙王金龙张松迟明超王双飞聂双喜广西大学轻工与食品工程学院广西南宁530004

本研究将摩擦纳米发电机应用于收集纸浆流体产生的机械能,探究了不同质量分数的纳米纤维素悬浮液与固体的接触起电情况,阐明了微纳能源向电能转化的机理,发现液体浓度与输出性能呈负相关,并据此设计了双电极的液固摩擦纳米发电机,电压... 详细信息

本研究将摩擦纳米发电机应用于收集纸浆流体产生的机械能,探究了不同质量分数的纳米纤维素悬浮液与固体的接触起电情况,阐明了微纳能源向电能转化的机理,发现液体浓度与输出性能呈负相关,并据此设计了双电极的液固摩擦纳米发电机,电压输出的特异性差异可以作为浓度的反馈信号。结果表明,该自供电传感器具备优异的灵敏度(表面活性剂、木质素和碳酸钙及三者混合物对传感灵敏度的线性拟合度均保持在0.96以上)、出色的稳定性和毫秒级的响应时间(40 ms内即可完成对浆波信号的传感,线性拟合度为0.99)。本研究旨在为“双碳”背景下迈向智慧造纸时代提供一种可持续能源的解决思路。

关键词：纸浆液体能量摩擦纳米发电机自供电传感

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基于多通道摩擦纳米发电机的自供电姿态传感器研究

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基于多通道摩擦纳米发电机的自供电姿态传感器研究

作者：汪永发安徽大学

学位级别：硕士

姿态传感器是检测物体在三维空间中角运动的传感器,在日常的生活以及工业生产中有着非常重要的地位,广泛应用于自动化生产、物联网、人机交互等领域。随着物联网的飞速发展,对姿态传感器的需求进一步扩大。而传统的姿态传感器不仅易受... 详细信息

姿态传感器是检测物体在三维空间中角运动的传感器,在日常的生活以及工业生产中有着非常重要的地位,广泛应用于自动化生产、物联网、人机交互等领域。随着物联网的飞速发展,对姿态传感器的需求进一步扩大。而传统的姿态传感器不仅易受到温度、湿度、震动等因素的影响,且需要不间断的消耗能量,这与日益加剧的能源问题产生了矛盾,所以传统的传感器慢慢无法满足人们的需求。因此对传统的姿态传感器进行改进和创新,设计可以实现自供电、抗干扰能力强的姿态传感器成为人们关注的重点。基于摩擦纳米发电机的自供电传感器给我们带来了新的思路,自供电传感器由于其结构简单、价格低廉且输出信号明显的优势而备受关注。本文提出了一种基于多通道摩擦纳米发电机和惯性原理的自供电姿态传感器的想法,并通过实验验证了该传感器的可行性。与传统的依据输出信号的大小以及变化速率实现传感功能的传感器不同,该姿态传感器是通过多通道是否输出信号以及输出信号的通道位置来判断物体的姿态信息。在本文中我们讨论了影响自供电姿态传感器输出信号强弱的因素,例如摩擦层的材料、电极宽度等,验证了通过传感器的多通道联用检测角运动的可行性以及准确性,发现该姿态传感器具有良好的长期稳定性。在与标准姿态传感器的对比实验中,自供电姿态传感器同样实现了对姿态的监测,测试结果与标准传感器接近。

关键词：摩擦纳米发电机多通道自供电传感姿态传感

气敏纤维素摩擦电材料的制备及其用于自供电氨气传感

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气敏纤维素摩擦电材料的制备及其用于自供电氨气传感

作者：张旺林广西大学

学位级别：硕士

氨气传感器能够实时识别和监测环境中泄漏的氨气,由于其操作简单、使用率高而在工业生产和日常生活中有很大的需求。然而,大部分氨气传感器的广泛适用性往往受到外部电源的限制。摩擦纳米发电机(TENGs)作为一种便捷和可持续的能源收集设... 详细信息

氨气传感器能够实时识别和监测环境中泄漏的氨气,由于其操作简单、使用率高而在工业生产和日常生活中有很大的需求。然而,大部分氨气传感器的广泛适用性往往受到外部电源的限制。摩擦纳米发电机(TENGs)作为一种便捷和可持续的能源收集设备,可将外在的机械刺激转化为电信号,其在自供电气体传感领域有独特的应用优势。纤维素作为一种性能优越的摩擦电材料,其规整的一维分层结构所给予的高比表面积以及分子链中丰富羟基所提供的氢键结合位点有助于特异性气敏功能材料复合。因此,以纤维素作为载体制备气敏性能优异的气敏纤维素摩擦电材料用于自供电气体传感将具有巨大的研究潜力。本论文以TEMPO氧化的纳米纤维素(TCNF)、纤维素纳米纤维(CNFs)为原料,制备了TCNF/聚乙烯醇(PVA)/碳纳米管(CNT)气凝胶和三乙氧基1H,1H,2H,2H十三氟正辛基硅烷(PFOTES)-CNF-TiCT薄膜。将两种气敏摩擦电材料与先进的能源收集技术-TENG相结合构建了自供电氨气传感器。TENG的出现使自供电气体传感成为了可能,有效解决了传统气体传感器电源外接、构筑工艺复杂等难题。本论文工作可以分为以下两部分:(1)制备了一种气敏纤维素摩擦电材料实现了自供电氨气传感。自供电氨气传感器由TCNF/PVA/CNT气凝胶、尼龙薄膜和铜箔组成。TCNF/PVA/CNT气凝胶作为气敏摩擦电材料,内部三维多孔结构具有优异的孔隙率(97.23%)。气敏摩擦电材料能够精确地识别在20-150 ppm范围内的氨气浓度变化,通过特异性输出实现实时传感,并展现优异的线性相关性(R=0.996)。该气敏摩擦电材料也表现出优异的耐久性与重复性,放置24 h后仍具有稳定传感性能。(2)为了进一步优化气敏摩擦电材料气敏性能,拓宽自供电气体传感器的应用范围。本工作制备了具有分层结构的气敏纤维素摩擦电材料,用于自供电氨气传感。在摩擦电引起的静电场中具有得电子能力的PFOTES-CNF-TiCT薄膜在静电吸附作用下进一步增强了自身的吸附性。研究发现,气敏纤维素摩擦电材料负载氨敏材料TiCT后,在氨气浓度100 ppm时具有快速响应/恢复性(12 s/14 s),高灵敏度(Vair/Vgas=2.1),高选择性(37.6%)和低检测极限(10 ppm)等优势。此外,该气敏材料可在浓度为10～120 ppm范围内准确鉴别出氨气的含量,利用无线技术向用户发送信号,从而实现食品质量的实时在线监测。

关键词：纤维素纳米纤维气敏摩擦电材料结构设计自供电传感

适用于输电线路的摩擦电-电磁复合式自供能传感监测系统

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适用于输电线路的摩擦电-电磁复合式自供能传感监测系统

作者：王棋重庆大学

学位级别：硕士

目前为了监测输电线路安全运行常采用人工巡检或挂网装置进行监测,但人工巡检存在偏远地区监测困难、肉眼观测不准确、人工监测成本高等问题,现有的一些挂网监测装置又存在供电困难、工作时长受限等缺陷。通过采集输电线路上广泛分布的... 详细信息

目前为了监测输电线路安全运行常采用人工巡检或挂网装置进行监测,但人工巡检存在偏远地区监测困难、肉眼观测不准确、人工监测成本高等问题,现有的一些挂网监测装置又存在供电困难、工作时长受限等缺陷。通过采集输电线路上广泛分布的微风振动能量来为无线传感监测系统供能,可以延长监测装置工作时间,提高电网运行稳定性与可靠性,具有较好的科学研究价值和工程应用意义。论文的主要工作包括:(1)分析总结了振动能量收集和输电线路自供能技术的研究现状,分析比较了各自的结构特性及其优缺点,提出了适用于本应用场景的研究方案。(2)从振动能量收集机理出发,提出了磁悬浮式摩擦电-电磁能量收集器新架构。通过静电纺丝方法制备了具有高电荷密度和环境友好性的纳米纤维膜作为摩擦功能层,利用仿真建模优化结构参数并据此制备了能量收集器。(3)针对复合式振动能量收集器不同发电方式下的输出特性,分别设计了相对应的前级接口电路和能量存储电路,实现了能量提取、电能存储与输出控制。(4)根据所设计的能量收集器和能量收集管理电路,设计了低功耗传感监测系统,通过硬件选型与软件优化实现了输电线路温度和振动信息的低功耗传感监测与无线发送。(5)测试了能量收集器的输出性能,器件输出峰值功率约为1.62 m W。测试了监测系统的功耗和系统功能,并在野外输电线路上挂网验证,结果表明本文设计的输电线路传感监测系统能很好地满足输电线路的健康监测需求。本文设计的适用于输电线路的自供能监测系统,利用复合式摩擦电-电磁能量收集器收集输电线路上的微风振动能量,经过能量收集管理电路将收集到的能量存储在可充电锂电池中,为输电线路监测节点供电,监测系统将传感数据无线发送出来,实现了输电线路的实时在线监测,为电网的安全稳定运行奠定了一定的技术基础。

关键词：输电线路复合振动能量收集能量管理自供电传感无线监测

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柔性自供电温度敏感单元设计与应用研究

柔性自供电温度敏感单元设计与应用研究

作者：李森中北大学

学位级别：硕士

随着微能源技术发展的重要节点,柔性自驱动电子器件成为新型传感单元不可忽视的战略交叉高地。然而,传统的温度敏感单元受外部电源限制,存在材质坚硬、非便携和长期更换电池等一系列缺点。因此,改变传统的温度监测方法,并赋予监测设备... 详细信息

随着微能源技术发展的重要节点,柔性自驱动电子器件成为新型传感单元不可忽视的战略交叉高地。然而,传统的温度敏感单元受外部电源限制,存在材质坚硬、非便携和长期更换电池等一系列缺点。因此,改变传统的温度监测方法,并赋予监测设备以便携、远程和实时监测功能是实现柔性传感与智能电子相结合的重要一步。近年来,日益成熟的摩擦电和热释电微能源采集设备因其材质柔软、较好的便携性和无需外部电源等在自驱动传感领域备受世界广泛关注。基于不同传感机制的温度敏感材料人们拥有相对成熟的探索,但温度传感测试中很难实现无外接电源,成为柔性自供电传感领域的一大挑战。传统的温度传感器尽管实现了一定温度监测特性,但无法实现便携式、实时和远程温度响应,无疑是困扰智慧电子器件的一致命弱点。为此提出的基于摩擦电和热释电材料通过捕获环境或人体热能并转化为电能,对解决环境温度、人体呼吸热和口腔温度敏感单元供能限制提供实际化应用保障。本文围绕新型柔性温度敏感材料结合环境/人体温度实时监测应用需求,具体做如下研究:(1)提出并制备了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)摩擦电机制的自供电温度传感单元。利用PVDF的热释电性增强摩擦层接触表面的电荷密度,可作为自供电温度敏感单元。PVDF表面Ag电极被用作底部电极层和摩擦层。PTFE作为顶部摩擦层其与顶部电极导电铜箔相连接。同时,将中空结构的间隔层(Kapton)置于PTFE膜和Ag电极之间形成空腔结构,为温度监测过程冷热交替提供保障;测试结果表明在295-335 K温度范围内,传感单元输出电压随温度增加呈线性增加,其温度响应时间大约为0.1 s,灵敏度为0.25 V/K,5500次周期性接触分离循环仍具有优异的稳定性。(2)由于摩擦温度敏感单元本质上的接触不舒适和非便携性,不适用于人体热信号监测,因此对上述自供电温度敏感器件结构优化,提出并制备出一种具有非接触式测试方式的柔性生理信息监测器件。这种非接触式测试解决了可穿戴式人体生理信息监测中非便携、不舒适等瓶颈。实验测得,柔性热释电敏感单元在外界热源的刺激下,由于温度的变化,可以在295-355 K的温度范围内产生线性热释电信号(R=0.9923)。并且基于生物体与周围环境之间的天然温度振荡,该温度敏感单元可以实现对人体生理信息的评估。例如,手掌、手指、鼻子或口腔的温度监测和不同运动状态下(正常呼吸和跑步后呼吸)鼻子呼吸频率的电学响应规律及3 X 3传感器阵列对手指运动的非接触空间热映射识别。最后,本文针对该非接触式柔性温度敏感单元与无线电路融合进行了实际化应用探索,验证了该温度敏感系统兼备远距离(10 m)鼻子或口腔呼吸无线监测本领,对建立远程智慧医患间信息桥梁以评估个人的生理状态迈出了重要一步。

关键词：摩擦电非接触式热释电发电自供电传感环境/人体热能

摩擦纳米发电机性能的优化策略及应用研究进展

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石油化工 2023年第12期52卷 1784-1790页

作者：周陇唐毓婧贾轶静李晓敏邓莹楠中石化(北京)化工研究院有限公司北京100013

摩擦起电产生的电荷一直难以被有效利用,摩擦纳米发电机(TENG)的提出使摩擦起电产生的电荷的利用变为现实。TENG是一种依靠摩擦起电将环境中的小尺度机械能转化为电能的能量收集与转换器件,结构简单,易于制造,被广泛应用于微小信号检测... 详细信息

摩擦起电产生的电荷一直难以被有效利用,摩擦纳米发电机(TENG)的提出使摩擦起电产生的电荷的利用变为现实。TENG是一种依靠摩擦起电将环境中的小尺度机械能转化为电能的能量收集与转换器件,结构简单,易于制造,被广泛应用于微小信号检测领域。介绍了TENG的基本原理及常见工作模式,综述了TENG性能评估和优化策略及其在清洁能源、自供电传感等方面的应用成果,并对TENG未来的发展进行了展望。

关键词：摩擦纳米发电机材料优化清洁能源自供电传感

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纤维基湿气发电机的研究进展

科学通报 2024年

作者：周群文显孙朝阳郭俊泽王黎明覃小红东华大学纺织学院

随着物联网和可穿戴领域的快速发展,传统的电池供电体系缺乏持续性、柔韧性和可穿戴性,难以满足下一代可穿戴电子设备的需求,因此亟须开发能够满足可穿戴要求的新型绿色清洁能源.纤维基湿气发电机可以将环境中无处不在的水能转化为电能... 详细信息

随着物联网和可穿戴领域的快速发展,传统的电池供电体系缺乏持续性、柔韧性和可穿戴性,难以满足下一代可穿戴电子设备的需求,因此亟须开发能够满足可穿戴要求的新型绿色清洁能源.纤维基湿气发电机可以将环境中无处不在的水能转化为电能,不仅能独立为可穿戴电子设备供电,而且纤维基材料的柔软透气性也有助于提高设备的舒适度,具有重要的应用前景.本文介绍了湿气发电机的工作原理,将纤维基湿气发电机分为一维线状、二维薄膜状和三维气凝胶状三类,详细说明了其制备方法和结构特点,以及在自供电电子设备和传感器方面的应用.最后,对纤维基湿气发电机的发展进行了总结和展望.

关键词：湿气发电机纤维静电纺丝智能可穿戴自供电传感