[发明专利]一种基于纸张的摩擦纳米发电机的制备方法及其应用

说明书

本发明公布了一种基于纸张的摩擦纳米发电机的制备方法及其应用，属于纳米能源技术领域，用于能量收集和风力监测。本发明使用具有韧性的导电材料将相同尺寸纸粘贴在两面，作为正极摩擦材料；使用导电材料将相同尺寸柔性薄膜粘贴在两面，作为负极摩擦材料；正极和负极摩擦材料，通过折叠的方式，构成折叠结构的具有双螺旋多层结构的纸基摩擦纳米发电机。可以通过双螺旋的结构大大增加了接触面积，折叠的方法容易操作，简便且低成本的工艺非常适用于未来的大规模生产。所制备的发电机应用前景广泛，而且特殊的双螺旋结构可用于可穿戴电子设备用于收集机械能转化为电能，还可以用于模拟小花小草，作为风力发电。

技术领域

本发明涉及一种纳米能源，具体涉及一种基于纸张的折纸摩擦电纳米发电机用于能量收集和风力监测。

背景技术

再过去几十年里，传统能源的短缺以及新型能源快速发展，为了代替传统能源设备，研究人员设计了多种能量转换装置，如超级电容器、锂电池太阳能电池、电磁发电机、纳米发电机等。与其他能源装置(水力发电，风力发电，潮汐发电)相比，摩擦纳米发电机(TENG)可以收集各种随机的，不规则的、低强度，低频率产生的能量。TENG还具有成本低、结构多样、输出稳定、能量转换效率高、形状适应能力强等优点。理论上来说，两种电荷亲和力不同的材料都可以用来制作TENG。使得在摩擦电系列中具有高性能的相对两端的材料范围广泛。大部分不可降解的聚合物材料用来制作摩擦层材料，如聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺等。为了减少聚合物对环境的污染，一些环境友好的材料被应用在TENG，例如生物薄膜类，纤维素类。

纤维素是公认的环保、丰富的材料。纸是由多层纤维素纤维之间通过氢键连接而成的网状结构，纸本身除了传统用途(存储和传递信息)之外，纸张越来越多的应用到绿色柔性电子器件领域。纸张不仅环保且可回收，而且薄，柔韧，轻巧，无处不在，具有生物相容性和可生物降解性。相比于均匀有序的纳米材料，纸有较好的柔韧性和耐磨性。纸张中的各种微/纳米纤维相互重叠，形成一种无序的网状结构。在电子产品一般是利用纸张作为柔性基板，用于印刷电极。王等人研究证明了纸张具有失电子能力，可以用于TENG的正极摩擦材料。

我们利用纸张并结合我国传统工艺折纸技术发明了一种基于纸张的折纸摩擦电纳米发电机。并且可以利用其特殊的折纸结构用于能量收集和风力监测。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于纸张折叠的方法制备的折纸摩擦电纳米发电机用于能量收集和风力监测。

为了解决本发明的技术问题，提出的技术方案为：一种基于纸张的摩擦电纳米发电机的制备方法，使用具有韧性的导电材料将相同尺寸纸粘贴在两面，作为正极摩擦材料；使用导电材料将相同尺寸柔性薄膜粘贴在两面，作为负极摩擦材料；正极和负极摩擦材料，通过折叠的方式，构成折叠结构的具有双螺旋多层结构的纸基摩擦纳米发电机。

优选的，使用双面铜箔胶带将相同尺寸纸粘贴在两面，作为正极摩擦材料；将双面铜箔胶带将相同尺寸聚酰亚胺PI粘贴在两面，作为负极摩擦材料；尺寸相同的正极和负极摩擦材料，通过折叠的方式，构成折叠结构的具有双螺旋多层结构的纸基摩擦纳米发电机。

优选的，所述导电材料为铜箔或铝箔，所述柔性薄膜负极材料为聚酰亚胺PI、聚四氟乙烯或PET。

优选的，所述的折叠方法为：将纸和聚酰亚胺带沿着预定的折痕折叠而成；每次将底部纸带横向折叠在顶部聚酰亚胺上，直到折叠成多层折叠条的紧凑折纸结构；使用折纸设计，复杂的3D TENG可以轻松形成自悬浮多层双螺旋结构。

优选的，正极摩擦材料、负极摩擦材料的宽度为0.5～2CM,长度为10～30CM。

为了解决本发明的技术问题，提出的另一技术方案为：根据任一所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的应用，通过将纸基摩擦纳米发电机与商用桥式整流器和电容器连接，驱动电子设备。