表界面修饰纳米纤维素印制摩擦纳米发电机的研究

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近年来,由于纤维素具有良好的生物降解性和可再生性,在摩擦电纳米发电机(TENG)的制备中得到了广泛的关注。将天然高分子纤维素与TENG相结合,产生了纤维素基TENG。这种绿色能量收集元件的出现不仅开辟了绿色新材料在能源工业的道路,而且给TENG带来了更多的发展潜力。然而,薄弱的表面极性和表面官能团的不足极大限制了其向高性能TENG的发展。本论文研究探讨了以纳米纤维素(CNFs)作为摩擦纳米发电机的摩擦层材料,通过化学处理对其进行表界面修饰,引入-COOH,-NH2,-F三种基团。除了对三种不同的功能化纤维素理化性质进行分析外,还将功能化的CNFs应用到TENG上,研究分析功能化纤维素对提高CNFs得失电子的能力或者极性的影响,同时表界面修饰的CNFs还可以提升TENG的电学输出性能。经研究发现,使用TEMPO氧化-高压均质法可以引入-COOH,并且随着Na Cl O添加量的增加,CNFs羧基化程度提升,在水分散体系中更加趋于稳定。通过直接书写打印(DIW)制备的正摩擦层气凝胶有层状结构,表面和内部气孔紧致均匀连续,具备良好的机械性能。与PDMS组装的TENG,性能有明显的提升。尤其当Na Cl O添加量为8mmol/g时,输出电压为264V,并且TENG具有良好的循环稳定性;使用环氧丙基三烷基氯化胺(EPTMAC)可以引入-NH2。通过改变EPTMAC和纤维素的质量比,控制纳米纤维素的阳离子化程度。当EPTMAC和纤维素的质量比为2.0时,阳离子化程度最高。通过DIW制备的正摩擦层具有较厚的片层结构,并且表面的气孔明显减少,不均匀。并且阳离子化后的纤维素热稳定性下降。与PDMS组装的TENG,性能有明显的提升。尤其当EPTMAC和纤维素的质量比为2.0时,输出电压为273V,并且TENG具有良好的循环稳定性。使用纳米Si O2和PFOTS可以引入-F。通过控制绝干纤维和纳米Si O2的质量比,进而调节真空下在纳米Si O2表面修饰的F的量。通过DIW制备的FCNF-Si O2气凝胶表面均匀附着纳米Si O2,XPS结果表明,FCNF-Si O2气凝胶在290.4 e V和292.5 e V处的峰值表现出CF2和CF3,说明PFOTS成功接枝在Si O2颗粒的表面。此外,FCNF-Si O2气凝胶的水接触角最高为150°,达到超疏水状态。与PET板组装成的TENG,绝干纤维和纳米Si O2的质量比比值为3.0时,输出电压达到最大,为400V。并且TENG具有良好的循环稳定性和疏水性。
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