MXene界面耦合增強式風能發電機及制備和工作方法技術

本發明專利技術提出一種MXene界面耦合增強式風能發電機及制備方法和工作方法。發電機主體從下至上包括底電極、第二納米復合薄膜、諧振片、第一納米復合薄膜、頂電極，上、下發電機共用諧振片，第一復合薄膜與第二復合薄膜是壓電聚合物和二維材料MXene的復合物，在PVDF流延固化過程中利用MXene表面和壓電聚合物分子鏈中官能團之間的氫鍵作用，誘導α相向β相轉化，進而提升復合薄膜的壓電系數d

【技術實現步驟摘要】
MXene界面耦合增強式風能發電機及制備和工作方法


[0001]本專利技術屬于納米材料領域、微納能源領域，涉及成膜技術，具體涉及一種MXene界面耦合增強式風能發電機及制備方法、工作方法。

技術介紹

[0002]傳統的供電方式是發電廠利用高密度的、有序的、高質量的低熵能源，如煤炭、石油的燃燒帶動熱機進而產生電能，送往諸如工廠、學校等固定場所。而物聯網的出現、移動通信的普及，使得物體傳感器分布廣泛且隨時可能移動。雖然操作每個傳感器所需的功率很小，通常是微瓦到瓦的范圍，但其數量巨大，這使得小型器件的能源需求變成了分布式的、無序的、無線的高熵能源。針對能源需求形式的轉變，如何有效的獲得這種能源是我們迫在眉睫的課題。
[0003]壓電
?
摩擦電納米發電機，是利用壓電效應和摩擦起電效應將環境中存在的眾多分布式、高熵的能源，如風能、人體運動能、振動能等低頻能量轉化為電能，進而有效收集利用環境中任何可用能量的裝置。
[0004]壓電
?
摩擦電納米發電機作為能量收集裝置，其應用很大程度上取決于其輸出功率。對于壓電效應，表面電荷密度與壓電系數成正比；對于摩擦電效應，功率密度與表面摩擦電荷密度呈二次方關系。
[0005]PVDF是一種半結晶聚合物，由CH2＝CF2單體聚合而成，在不同的晶格類型和鏈構象中具有五個結晶相(α，β，γ，δ和ε)。對于β相的PVDF，由于
?
CF2排列在分子鏈的同一側
?
CH2排列在另一側，因此具有最大的極性，也具備最大的壓電性，其壓電系數d
33
約為29pC/N。然而，市面上的PVDF多為α相，其
?
CF2與
?
CH2交替排列在分子鏈兩側，因此不具備壓電性能。為了在PVDF中獲得更高比例的β相，各種各樣的策略已經被采用，如原位極化、熱拉伸和高電場。然而這些工藝無疑會提高能耗和成本。
[0006]MXenes是一類具有類石墨烯結構的過渡金屬碳化物二維納米材料。通常，MXenes的化學式為M
n+1
X
n
T
x
(n＝1
?
4)，其中M代表前過渡金屬(Ti、V、Nb等)，X代表碳或氮，T
x
表示不同的表面終端基團(
?
OH、＝O、
?
F等)。MXene納米片表面有羥基或末端氧，因此具有過渡金屬碳化物的金屬導電性，在增強電化學性能方面的顯著優勢在于其較大的比表面積和良好的機械強度，在充電/放電過程中促進電子和離子的傳輸而不會損壞結構。
[0007]利用MXene誘導增強聚合物薄膜的壓電系數(d
33
)與介電常數(ε
33
)可以進一步提高壓電
?
摩擦電納米發電機的輸出性能，擴展其應用范圍。由于這個過程是自發的，不需要額外的能量和繁瑣的工藝。從微觀層面設計聚合物材料結構的方法操作簡單、成本低廉、實用性高，改善了壓電
?
摩擦納米發電機的應用前景，擴大了應用范圍，為壓電
?
摩擦電納米發電機的優化提供了一個新的研究方向。

技術實現思路

[0008]鑒于以上所述現有技術的缺點，本專利技術提供了一種利用MXene材料增強風能發電
機換能效率的方法。
[0009]為實現上述專利技術目的，本專利技術技術方案如下：
[0010]一種MXene界面耦合增強式風能發電機，包括主體發電機，
[0011]主體發電機從下至上包括底電極6)、第二納米復合薄膜5、諧振片4、第一納米復合薄膜2、頂電極1，底電極6、第二納米復合薄膜5、諧振片4構成下發電機，諧振片4、第一納米復合薄膜2、頂電極1構成上發電機，上、下發電機共用諧振片4；主體發電機的上、下、前、后側由透明外殼3密封，主體發電機左、右側的開口分別為進風口10和出風口11；從進風口到出風口的方向為風流方向；
[0012]諧振片4為鋁箔、軟質絕緣塑料片、鋁箔形成的三明治柔性結構，軟質絕緣塑料片使上下兩個發電機的電荷轉移互不干擾；諧振片4在靠近進風口的一端固定在透明外殼上、另一端自由擺動；
[0013]底電極6上表面的第二納米復合薄膜5與頂電極1下表面上的第一納米復合薄膜2為同種材料；
[0014]第一納米復合薄膜2和第二納米復合薄膜5是壓電聚合物和二維材料MXene的復合物，在復合物固化過程中借助MXene表面的官能團和壓電聚合物之間的氫鍵作用，誘導α相壓電聚合物向β相轉化，提升壓電聚合物的壓電系數d
33
，壓電系數d
33
的增加將提升壓電換能效率；引入MXene會提升納米復合薄膜的介電常數ε
33
，介電常數ε
33
的增加將提升摩擦電換能效率；
[0015]風流進入風能發電機后引起諧振片震動，諧振片與所述兩個納米復合薄膜之間有靠近和擠壓兩個過程，靠近過程引起摩擦電輸出，擠壓過程引起壓電輸出，納米復合薄膜壓電極性方向與其摩擦電極性方向一致，使輸出信號在外電路中正向疊加，實現對靠近與擠壓兩個過程的能量收集。
[0016]作為優選方式，MXene材料為Ti3C2、Ti2C、Nb2C、Nb4C3、V2C、V4C3其中一種MXene材料。
[0017]作為優選方式，包括固定在主體發電機上表面的方向舵發電機8；
[0018]主體發電機繞風流方向旋轉90
°
并縮小后得到方向舵發電機8，方向舵發電機8的重心位于靠近出風口11的一端；方向舵發電機8的重心位于主體發電機平行于風流方向的中軸線上。
[0019]作為優選方式，第一納米復合薄膜2和第二納米復合薄膜5的二維材料MXene通過如下步驟制備：
[0020](1.1)取6
?
10mol/L稀鹽酸溶液，加入2
?
7wt％LiF攪拌5
?
15min得到HF溶液；
[0021](1.2)加入2
?
6wt％Ti3AlC2并在30
?
40℃水浴條件下攪拌20
?
30h，得到混合溶液；
[0022](1.3)將混合溶液以3000
?
5000rpm、2
?
5min/次進行離心分離并重復5
?
6次；
[0023](1.4)使用過濾孔小于0.45μm濾紙抽濾，并在35
?
45℃真空條件下干燥12
?
24h后得到二維材料MXene。
[0024]作為優選方式，第一納米復合薄膜2和第二納米復合薄膜5的壓電聚合物和二維材料MXene的復合薄膜通過如下步驟制備：
[0025](1.5)將MXene粉末溶解在體積比2:3的丙酮與N,N
?
二甲基甲酰胺的混合液中，超聲處理10
?
30min，本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種MXene界面耦合增強式風能發電機，其特征在于：包括主體發電機，主體發電機從下至上包括底電極(6)、第二納米復合薄膜(5)、諧振片(4)、第一納米復合薄膜(2)、頂電極(1)，底電極(6)、第二納米復合薄膜(5)、諧振片(4)構成下發電機，諧振片(4)、第一納米復合薄膜(2)、頂電極(1)構成上發電機，上、下發電機共用諧振片(4)；主體發電機的上、下、前、后側由透明外殼(3)密封，主體發電機左、右側的開口分別為進風口(10)和出風口(11)；從進風口到出風口的方向為風流方向；諧振片(4)為鋁箔、軟質絕緣塑料片、鋁箔形成的三明治柔性結構，軟質絕緣塑料片使上下兩個發電機的電荷轉移互不干擾；諧振片(4)在靠近進風口的一端固定在透明外殼上、另一端自由擺動；底電極(6)上表面的第二納米復合薄膜(5)與頂電極(1)下表面上的第一納米復合薄膜(2)為同種材料；第一納米復合薄膜(2)和第二納米復合薄膜(5)是壓電聚合物和二維材料MXene的復合物，在復合物固化過程中借助MXene表面的官能團和壓電聚合物之間的氫鍵作用，誘導α相壓電聚合物向β相轉化，提升壓電聚合物的壓電系數d
33
，壓電系數d
33
的增加將提升壓電換能效率；引入MXene會提升納米復合薄膜的介電常數ε
33
，介電常數ε
33
的增加將提升摩擦電換能效率；風流進入風能發電機后引起諧振片震動，諧振片與所述兩個納米復合薄膜之間有靠近和擠壓兩個過程，靠近過程引起摩擦電輸出，擠壓過程引起壓電輸出，納米復合薄膜壓電極性方向與其摩擦電極性方向一致，使輸出信號在外電路中正向疊加，實現對靠近與擠壓兩個過程的能量收集。2.根據權利要求1所述的一種MXene界面耦合增強式風能發電機，其特征在于：MXene材料為Ti3C2、Ti2C、Nb2C、Nb4C3、V2C、V4C3其中一種MXene材料。3.根據權利要求1所述的一種MXene界面耦合增強式風能發電機，其特征在于：包括固定在主體發電機上表面的方向舵發電機(8)；主體發電機繞風流方向旋轉90
°
并縮小后得到方向舵發電機(8)，方向舵發電機(8)的重心位于靠近出風口(11)的一端；方向舵發電機(8)的重心位于主體發電機平行于風流方向的中軸線上。4.根據權利要求1所述的一種MXene界面耦合增強式風能發電機，其特征在于：第一納米復合薄膜(2)和第二納米復合薄膜(5)的二維材料MXene通過如下步驟制備：(1.1)取6
?
10mol/L稀鹽酸溶液，加入2
?
7wt％LiF攪拌5
?
15min得到HF溶液；(1.2)加入2
?
6wt％Ti3AlC2并在30
?
40℃水浴條件下攪拌20
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30h，得到混合溶液；(1.3)將混合溶液以3000
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5000rpm、2
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5min/次進行離心分離并重復5
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6次；(1.4)使用過濾孔小于0.45μm濾紙抽濾，并在35
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45℃真空條件下干燥12
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24h后得到二維材料MXene。5.根據權利要求1所述的一種MXene界面耦合增強式風能發電機，其特征在于：第一納米復合薄膜(2)和第二納米復合薄膜(5)的壓電聚合物和二維材料MXene的復合薄膜通過如下步驟制備：(1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蘇元捷，李惟雄，謝光忠，代靜，黃俊龍，陳春旭，太惠玲，杜曉松，蔣亞東，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：