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西北工业大学研制出生物力驱动的新型纳米发电机

2017-04-07    来源:西北工业大学    浏览次数:57

        近日,纳米能源领域权威期刊Nano Energy(IF=11.553)刊发了西北工业大学关于新型磁电摩擦双耦合生物力驱动的纳米发电机最新研究成果。论文题目为:“Magnetic Force Driven Noncontact Electromagnetic-Triboelectric Hybrid Nanogenerator for Scavenging Biomechanical Energy” (Nano Energy 35: 233–241, 2017. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.03.047),由材料学院樊慧庆教授指导的博士生任小虎为第一作者,樊慧庆教授为通讯作者,王超、马江薇、雷慎辉、赵玉伟、李华、赵年顺等为合作者。

 

图1:新型磁电摩擦电双耦合生物力驱动的纳米发电机工作原理

图2 新型磁电摩擦电双耦合生物力驱动的纳米发电机在大面积、柔性、可穿戴电子系统中应用的工作实例(点亮上衣指示码、LED排灯,长时间驱动温湿度计、手表等工作状态)

 

摩擦纳米发电机(TENG)能够用于获取人们日常生活中常见的但被浪费掉的各种机械能,包括人体运动、步行、振动、机械触发、轮胎旋转、风、流水等。TENG能够通过两种摩擦材料的接触/分离收集机械能,而电磁发电机(EMG)通过磁铁与线圈间的相对移动来工作。通过整合两种机械能源收集单元,一种复合机械能获取技术被广泛地用于大规模提高能量装置整体的输出功率。收集人体运动产生的生物机械能作为移动能量源在驱动个人电子产品领域具有可实现性。基于此,本项研究工作采用静电纺丝工艺,将纳米Fe3O4颗粒嵌入摩擦电材料PVDF纳米纤维中,研制出大面积、可穿戴式、柔性复合薄膜器件,使其具有较强的磁响应特性。经过巧妙结构设计将摩擦电纳米发电机与电磁线圈结合,通过外磁场变化同时驱动摩擦电纳米发电机与电磁发电机将机械能转化为电能。这种复合型能源采集单元表现出优异的性能,有望从我们周边的生存环境中获取多种形式废弃的生物力能源,能够有效地解决传感器和个人电子设备供电的迫切需求问题。该工作得到了国家自然科学基金、凝固技术国家重点实验室自选课题等的资助,相继研制出系列新型纳米发电机(1.铁酸铋纳米粉体PDMS复合无铅压电式纳米发电机Flexible lead-free BiFeO3/PDMS-based nanogenerator as piezoelectric energy harvester, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 26190−26197; 2.铁酸镧铋纳米纤维羊毛复合可生物兼容压电式纳米发电机Lead-free Bi5-xLaxTi3FeO15(x=0, 1) nanofibers toward wool keratin-based biocompatible piezoelectric nanogenerators, J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 7324—7331; 3.废旧轮胎橡胶粉摩擦电纳米发电机Triboelectric nanogenerators based on fluorinated wasted rubber powder for self-powering application, ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5, 1957−1964)。

 

 

背景资料:

西北工业大学樊慧庆教授课题组一直致力于新型光电信息功能材料与器件的应用基础研究,近年来获相关授权国家发明专利22项,编著出版了《电子信息材料》、《功能介质理论基础》和《固体化学》,在Advanced Functional Materials(doi: 10.1002/adfm.201202525,制备了PBZ膜室温巨电卡效应DT高达45.3K)、Advanced Electronic Materials(doi: 10.1002/aelm.201500052,获得了BNLBTZ膜的巨电储能密度达154 Jcm-3,且反复疲劳次数可达108)、Journal of Materials Chemistry A(doi: 10.1039/c5ta02257f,设计了一种氮自掺杂石墨层状氮化碳,其可见光水解制氢能力比普通氮化碳提高了1.8倍)、Chemistry Select(doi: 10.1002/slct.201601053,研制了高循环稳定、宽电压范围的反对称金属有机网格/层状氮化碳三明治式超级电容器,其比能量密度及比功率密度分别达153 W·h·kg-1、40000 W kg-1)和ACS Applied Materials & Interfaces(doi: 10.1021/acsami.5b02790,发现了PBZ取向膜室温的大储能密度为40.18 Jcm-3,且其在室温到250℃变化率均小于5%,表现出良好热稳定性和实用前景)等学术期刊上发表SCI收录学术论文312篇,已被ISI引用3349篇次。

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