一种基于LM基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机及其应用

本发明涉及摩擦纳米发电机领域，具体是一种基于lm基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机及其应用。

背景技术：

1、随着人们社会的可持续发展，高输出功率、高能量转化效率、轻质性，低成本、柔性、可集成性的摩擦纳米发电机(teng)在近些年来吸引了大量的关注。随着新一代便携的、可穿戴的和植入式的电子设备的快速发展，摩擦纳米发电机作为新兴的自供电传感器，为收集可再生能源提供了新的方案。其工作原理是基于静电效应和摩擦感应效应，通过将环境中收集到的能量从机械能转化为电能，为有线或者是无线设备供电。但是，低输出电流是主要限制teng实际应用的问题之一，需要解决如何提高摩擦发电层间的电荷转移等问题。此外，teng的摩擦起电材料通常是不可降解或不可回收的聚合物制备而成的，同样也极大的限制了teng柔性传感器的应用前景。

2、柔软、可回收和可穿戴的teng比较常见的制备策略包括嵌入刚性导电填料（例如，碳、银纳米线或金纳米片）制备成可拉伸弹性体基体，形成导电复合材料。然而，导电复合材料需要高负载的刚性填料才能形成支持导电性的渗透途径，并且高负载通常会导致所需机械性能的退化。导电复合材料变得更硬（杨氏模量更高），弹性更低（拉伸性更低）。另一种方法是使用离子导体，例如离子水凝胶或盐水溶液。然而，离子导体的导电性低，使用离子导体的teng发电量通常较低以及机械完整性差，例如材料分层。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于lm基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机及其应用。

2、本发明所采取的技术方案如下：

3、本发明的第一个方面提供了一种基于lm基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机，其中lm基纤维素气凝胶的制备方法包括如下步骤：

4、s1、将纤维素和pva溶解于水中，加入液态金属，超声分散得到液态金属/纤维素混合溶液；

5、s2、将液态金属/纤维素混合溶液转移至容器内并将容器放置在液氮溶液表面后向下移动并浸入液氮中制备得到单向冷冻的多层柱型水凝胶冰模板；

6、s3、将多层柱型水凝胶冰模板冷冻干燥后升华去除冻结的溶剂，得到具有三维多孔结构的lm基纤维素气凝胶。

7、优选的，步骤s1中，所述纤维素与水的质量体积比为40-60%。

8、优选的，步骤s1中，所述pva与水的质量体积比为2-8%。

9、优选的，步骤s1中，所述液态金属为镓、汞、镓铟合金、镓铟锡合金、铋锡合金、铋锡铅铟合金中的一种或多种。

10、优选的，步骤s1中，所述液态金属与水的质量体积比为0.04-0.4:30。

11、优选的，其包括两个柔性薄膜pet层及位于两个柔性薄膜pet层之间的两个弹性海绵层，两个弹性海绵层的相对一侧分别设置有fep薄膜和lm基纤维素气凝胶，fep薄膜和lm基纤维素气凝胶之间留有间隙。

12、优选的，所述fep薄膜和lm基纤维素气凝胶之间的间隙为5-20 mm。

13、本发明的第二个方面提供了如上所述的摩擦纳米发电机在柔性可穿戴能量收集装置中的应用。

14、本发明的第三个方面提供了如上所述的摩擦纳米发电机在讯息交互或人机交互系统中的应用。

15、本发明的第四个方面提供了如上所述的摩擦纳米发电机在自供能生物医用设备中的应用。

16、本发明的有益效果如下：

17、1.本发明制备了一种基于液态金属（liquid metal,lm）和木质纤维素为主要材料，制备了具有高灵敏度和摩擦电性能的多孔lm基纤维素复合型气凝胶。通过利用液氮单向冷冻技术制备了一种具有多层柱型结构，其分层柱型结构给予该传感器自身在灵敏度上的增益，具有超高的响应时间（<14 ms）以及 10.93 v/kpa 灵敏度。并且通过冷冻干燥工艺制备了非常轻便的气凝胶多孔结构，具有低密度（0.02 g/cm³)，便于人体穿戴以提高舒适度。在合适的电阻串联下，此摩擦纳米发电机的功率最高可达到281.4mw/m2。基于液态金属颗粒在气凝胶框架中构建的导电网络，促进电荷在气凝胶内部的的传输效率，使得该teng具有优异的电输出性能（开路电压~170 v，短路电流~6.5 μa，转移电荷~120 nc），具有良好循环稳定性（循环超10000次）。此外，基于气凝胶结构带有许多密致的微孔结构，在触碰/按压lm基纤维素复合型气凝胶时，其内部的多孔结构也可以视为许多个小型的teng，具有~38v的电输出。

18、2. 采用液态金属合金代替离子溶液可实现更高的导电性并解决了离子流体在teng应用中的缺点，柔性液态金属基teng传感器可以佩戴在身体发生大变形的部位（例如膝关节，肘部）上，并收集能量以驱动完全集成的计算系统，即与微处理器和显示器集成的电子设备。该柔性传感器不仅能够用于检测人体肢体关节的运动（手指和手腕等部位的弯曲），并且还能通过与单片机控制系统结合，可以实现对睡眠呼吸暂停综合症患者的实时呼吸监控。因此，基于环保、长期稳定、高导电性lm基纤维素复合型气凝胶作为teng在人机交互、物联网、在柔性电子器件制造和生物医疗应用等领域都具有巨大的潜力，提供了新的研究途径。

技术特征：

1.一种基于lm基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机，其特征在于，其中lm基纤维素气凝胶的制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于lm基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机，其特征在于：步骤s1中，所述纤维素与水的质量体积比为40-60%。

3.根据权利要求1所述的一种基于lm基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机，其特征在于：步骤s1中，所述pva与水的质量体积比为2-8%。

4.根据权利要求1所述的一种基于lm基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机，其特征在于：步骤s1中，所述液态金属为镓、汞、镓铟合金、镓铟锡合金、铋锡合金、铋锡铅铟合金中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种基于lm基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机，其特征在于：步骤s1中，所述液态金属与水的质量体积比为0.04-0.4:30。

6.根据权利要求1所述的一种基于lm基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机，其特征在于，其包括两个柔性薄膜pet层及位于两个柔性薄膜pet层之间的两个弹性海绵层，两个弹性海绵层的相对一侧分别设置有fep薄膜和lm基纤维素气凝胶，fep薄膜和lm基纤维素气凝胶之间留有间隙。

7.根据权利要求6所述的一种基于lm基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述fep薄膜和lm基纤维素气凝胶之间的间隙为5-20 mm。

8.如权利要求1-7任一项所述的摩擦纳米发电机在柔性可穿戴能量收集装置中的应用。

9.如权利要求1-7任一项所述的摩擦纳米发电机在讯息交互或人机交互系统中的应用。

10.如权利要求1-7任一项所述的摩擦纳米发电机在自供能生物医用设备中的应用。

技术总结本发明提供一种基于LM基纤维素气凝胶的摩擦纳米发电机及其应用，其中LM基纤维素气凝胶的制备方法包括如下步骤：S1、将纤维素和PVA溶解于水中，加入液态金属，超声分散得到液态金属/纤维素混合溶液；S2、将液态金属/纤维素混合溶液转移至容器内并将容器放置在液氮溶液表面后向下移动并浸入液氮中制备得到单向冷冻的多层柱型水凝胶冰模板；S3、将多层柱型水凝胶冰模板冷冻干燥后升华去除冻结的溶剂，得到具有三维多孔结构的LM基纤维素气凝胶。技术研发人员：陈亦皇,潘霜,郑凯,王舜,金辉乐,赵泽宇,陈镏受保护的技术使用者：温州大学新材料与产业技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/18