Energy Technology:基于碳材料/PVDF-TrFE复合螺旋型压电纳米发电机

无线通信和低功耗可穿戴电子设备的快速发展对便携式能源的供给技术提出了巨大的需求。在便携式能源供给技术中,压电纳米发电机(PNG)可将周围环境中普遍存在动能转化为电能,并以其能量转换效率高、材料多样、可扩展性好、结构简单等优点备受关注。无机压电晶体和陶瓷,如ZnO、Pb[ZrxTi1-x]O3和BaTiO3,被广泛用于制备性能良好的压电纳米发电机。不同结构的PNG已成功地将人体运动、振动、声音等动能转化为电能。

前期的研究表明,除了介电常数和压电系数外,压电材料的几何形状对压电纳米发电机的性能也有着显著的影响。到目前为止,多种微/纳米几何结构已经被用来制造PNG,如纳米纤维、纳米管、纳米带、纳米球等。从宏观的植物卷须到微观的DNA,螺旋结构是自然界中最常见的形状之一。高内外径之比的螺旋纳米带,由于具有较强的几何应力约束效应,其性能应优于纳米线。已有研究团队通过有限元模拟,从理论上预测了氧化锌纳米螺旋结构的压电电势要远高于其纳米线的压电电势。然而,由于这种螺旋结构的制备面临着巨大的挑战,因此基于螺旋结构压电材料的PNG鲜有报道。

华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室彭晖课题组采用自行研发的简单直写技术制备了螺旋结构的石墨烯/PVDF-TrFE (GR/PVDF-TrFE)和多壁碳纳米管/PVDF-TrFE (MWCNT/PVDF-TrFE)复合纳米带,并应用于纳米发电机的制备,研究了其发电性能。结果表明,由于几何应力约束效应导致螺旋形PVDF-TrFE纳米带的压电性能提升,同时石墨烯和MWCNT的添加不仅有利于β相PVDF-TrFE的形成,而且有利于电子的传输,从而提升纳米发电机的能量转换效率。基于GR(0.005 wt.%)/PVDF-TrFE纳米带的压电纳米发电机最高输出电压为35 mV。该PNG还具有良好的稳定性,这对实际应用至关重要。

研究者相信,螺旋结构可以提高PNG的性能,为自供电系统和无线纳米器件的进一步发展提供了基础。相关论文在线发表在Energy Technology (DOI: 10.1002/ente.201901249)上。