水滴驱动管式摩擦电纳米发电机构建研究

摘要

开发和利用可再生能源是解决能源短缺问题的重要途径。摩擦电纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator,TENG）是一种将摩擦机械能转化为电能的新型能量转化器件。液滴和水流在日常生活中随处可见，利用其流动产生能量是当前的研究热点之一。　　传统TENG器件通常基于平面基体，而液体通常依附于管道为传输载体。利用管道内液体流动来获取能量的研究较少，这是由于传统平面摩擦层材料及表面改性方法并不适用于结构复杂、空间狭小的管基体内表面。本课题提出利用二氧化钛（TiO2）纳米管疏水涂层构建单电极液基摩擦电纳米发电机（Liquid-TENG），并研究了流体和管道特性对管式单电极L-TENG输出性能影响。　　本课题首先基于平面钛基体构建了片状单电极L-TENG器件，探讨了TiO2纳米管疏水涂层作为摩擦层的可行性，研究了TiO2纳米管结构对器件性能影响，为TiO2纳米管结构在管式器件的应用奠定基础。实验结果表明，采用方波脉冲电压进行阳极氧化制备管长小于2μm的TiO2纳米管涂层，可以提高单电极L-TENG的输出性能。基于TiO2纳米管的器件短路电流和输出电压分别为~2.8nA和~260mV，其输出性能明显优于不含TiO2纳米管器件。以传统摩擦材料和TiO2纳米管疏水涂层分别构建单电极L-TENG，两种器件的输出规律相同，证明了TiO2纳米管疏水涂层可以作为L-TENG摩擦层材料。　　利用同轴阳极氧化法在钛管内表面制备TiO2纳米管阵列涂层，经低表面能有机物修饰获得超疏水特性。构建了水滴驱动管式单电极L-TENG，验证了TiO2纳米管疏水涂层作为摩擦层的可行性，提高了L-TENG的输出性能。通过水流驱动管式单电极L-TENG，实现了直接捕获管道内液体流动能量。结果表明，L-TENG的输出性能随流速的增加而增大，当钛管基体长度为6cm时，L-TENG的输出性能最好。本项目为构建管式单电极L-TENG奠定了一定的理论和实验基础，对管道内流体测速、堵塞探测等方面应用开发提供了新思路。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 纳米发电机简介

1.2.1 新能源与纳米发电机

1.2.2 纳米发电机的分类

1.3 摩擦电纳米发电机简介

1.3.1 摩擦电纳米发电机的结构及工作原理

1.3.2 水/液滴与固体表面的相互作用

1.3.3 摩擦层材料介绍

1.4 疏水表面的应用

1.5 选题思路及主要研究内容

1.5.1 选题思路

1.5.2 主要研究内容

2 实验材料及研究方法

2.1 实验材料与仪器设备

2.1.1 实验原材料

2.1.2 实验仪器设备

2.2 材料制备

2.3 材料表征

3 基于钛片的水滴驱动单电极摩擦电纳米发电机的研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.2.1 片状单电极 L-TENG 器件制备

3.2.2 测试方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 基于钛基体的单电极 L-TENG 工作原理

3.3.2 TiO2纳米管结构的调控

3.3.3 TiO2纳米管涂层对器件输出性能的影响

3.3.4 不同摩擦层构建的片状 L-TENG 的输出性能

3.4 本章小结

4 基于钛管的水滴驱动单电极摩擦电纳米发电机的研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.2.1 管状单电极 L-TENG 器件制备

4.2.2 测试方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 不同摩擦层构建的水滴驱动管状 L-TENG 的输出性能

4.3.2 钛管长度和水流流速对管状 L-TENG 输出性能的影响

4.4 本章小结

5 结论及展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附 录

A. 学位论文数据集

致 谢