一种柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用

本发明涉及纳米新能源，具体涉及一种柔性可穿戴摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。

背景技术：

1、第五代网络的蓬勃发展激起了物联网技术的蓬勃需求，激发了可穿戴电子产品的改革与发展。为了确保可穿戴传感器持续工作，实现精确的测量，并实时传输数据，开发可持续的电源至关重要，需要满足分布式的能源需求。大多数可穿戴传感器原型依赖于笨重的电缆、刚性电池组或受限电源插头作为数据采集和传输的电源。插头电源和电池可能不是传感器广泛分布的最佳解决方案，而且这种动力系统过于僵硬，不适合用于可穿戴设备，精度和舒适性会明显降低。

2、基于摩擦起电和静电感应耦合的摩擦纳米发电机可以将人体运动产生的机械能转化为电能。由于人体运动产生的机械能是一种清洁的可再生能源，因此，摩擦电纳米发电机（teng）被认为是从不规则频率的机械运动中清除动能的理想设备，是一种基于摩擦起电和静电感应效应的能源转换装置，从不规则振动、触发、滑动、旋转甚至声波中获取机械能，并将其转化为电能，也可收集人体在日常生活中产生的传统方式难以收集的低频机械能，持续稳定地为电子器件供电，其具有具有结构简单、重量轻、材料选择广泛、即使在低工作频率下也能高效工作的优点。然而，现有的大多数基于摩擦纳米发电机的设备存在功率强度低、电源管理效率低、电源连续性不足等技术问题。

3、目前大多数摩擦纳米发电机采用化学镍/浸金表面处理、化学气相沉积等方法，这些方法制备过程复杂、制作成本较高，且摩擦纳米发电机的电极一般为铜电极或金电极，这些电极的成本较高。

4、基于以上的制备方法，采用数字喷墨印刷法制备摩擦纳米发电机，银纳米导电油墨制作摩擦纳米发电机的摩擦电极和感应电极，这是一种制备工艺简单、成本较低的新方法。以此方法制备的摩擦纳米发电机可以很好地解决能源供应不足的问题，是一种工作频率高、可穿戴的柔性摩擦纳米发电机。

5、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、针对现有摩擦纳米发电机制备工艺复杂、制作成本高进而使得可穿戴电子设备能源供应不足的技术问题，本发明提供了柔性摩擦纳米发电机及其制备方法。

2、为了解决上述的问题，本发明提供一种基于数字喷墨印刷法制成的柔性可穿戴摩擦纳米发电机，包括：光栅滑块、叉指定子、摩擦电层、柔性基底；其中，

3、所述光栅滑块附着于柔性基底，与柔性基底共同作为摩擦纳米发电机单独的一部分，由结构相同的电极段并联而成，充当摩擦纳米发电机的摩擦电极；与摩擦电层相互摩擦，发生相对运动时，产生与摩擦电层方向相反的电荷；

4、所述叉指定子位于摩擦电层之下、柔性基底之上，与摩擦电层和柔性基底共同作为摩擦纳米发电机单独的另一部分，作为摩擦纳米发电机的感应电极；当光栅滑块与摩擦电层相互摩擦产生电荷时，叉指定子会感应出与摩擦电极方向相反的电荷；

5、所述摩擦电层附着在叉指定子上的一层聚合物薄膜，用于与摩擦电极相互摩擦产生电荷，传导电荷；

6、所述柔性基底作为基底，承载光栅滑块和叉指定子、摩擦电层。

7、在本发明的一种或多种实施方式中，上述叉指定子的大小为30~50 mm×50~100mm，上述光栅滑块的大小为30~50 mm×50 mm。

8、在本发明的一种或多种实施方式中，上述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚偏二氟乙烯薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、聚乙烯醇薄膜、尼龙-66薄膜、纤维素薄膜中的任意一种。

9、在本发明的一种或多种实施方式中，上述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜中的任意一种。

10、本发明还提供一种基于数字喷墨印刷法的柔性摩擦纳米发电机的制备方法，包括：将银纳米导电油墨通过数字喷墨印刷法制作摩擦纳米发电机的电极，制备柔性可穿戴的摩擦纳米发电机；具体包括如下步骤：

11、s1：将硝酸银溶液加入聚乙烯吡咯烷酮水溶液中，搅拌，在室温下形成银-聚乙烯吡咯烷酮复合物；

12、s2：将二酰肼和葡萄糖水溶液加入s1制备的银-聚乙烯吡咯烷酮复合物中，所得产物水洗纯化，离心分离；

13、s3：将s2中分离后的产物在60℃下真空干燥，得到亮黄色粉末，即为银纳米颗粒；将合成的银纳米颗粒重新溶于乙二醇、乙醇和水的混合物中；将银纳米颗粒经球磨分散得到纳米银颗粒油墨；

14、s4：在打印机上，将s3得到的银纳米颗粒油墨喷射到柔性基底上，制备出具有叉指定子和光栅滑块的柔性的摩擦纳米发电机；将喷墨印刷的样品即制备的叉指定子和光栅滑块在对流烘箱中进行不同温度的烧结；

15、s5：在上述喷墨印刷技术制备的叉指定子表面覆盖一层聚合物薄膜，作为摩擦纳米发电机的摩擦电层，制得上述柔性摩擦纳米发电机。

16、在本发明的一种或多种实施方式中，s1中，上述硝酸银溶液与聚乙烯吡咯烷酮水溶液的摩尔比为50:1~90:1。

17、在本发明的一种或多种实施方式中，上述硝酸银溶液与聚乙烯吡咯烷酮水溶液的摩尔比为80:1。

18、在本发明的一种或多种实施方式中，s2中，上述二酰肼和葡萄糖水溶液的体积比为3:1~1:1。

19、在本发明的一种或多种实施方式中，上述葡萄糖水溶液为质量百分比浓度30~40wt%葡萄糖水溶液。

20、在本发明的一种或多种实施方式中，s3中，上述乙二醇、乙醇和水的质量比为9~3:2:1。

21、在本发明的一种或多种实施方式中，上述乙二醇、乙醇和水的质量比为7:2:1。

22、在本发明的一种或多种实施方式中，所得纳米银颗粒油墨为10～15 wt%的纳米银颗粒油墨。

23、在本发明的一种或多种实施方式中，s4中，上述打印机为压电式喷墨打印机或加热式喷墨打印机。

24、在本发明的一种或多种实施方式中，上述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚偏二氟乙烯薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、聚乙烯醇薄膜、尼龙-66薄膜、纤维素薄膜中的任意一种。

25、在本发明的一种或多种实施方式中，上述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜中的任意一种。

26、在本发明的一种或多种实施方式中，上述柔性基底的厚度为30~100 μm。

27、在本发明的一种或多种实施方式中，上述喷射的银纳米颗粒油墨的液滴尺寸为2~3 pl，银纳米颗粒油墨的液滴间距约为4~6 μm。

28、在本发明的一种或多种实施方式中，s5中，上述聚合物薄膜为氟化乙烯丙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯中的任意一种。

29、本发明还提供一种基于数字喷墨印刷法的柔性摩擦纳米发电机的制备方法，步骤包括：

30、s1：将1~2 m硝酸银溶液加入6~8×10−3 m聚乙烯吡咯烷酮水溶液中，搅拌混合匀，在室温下形成银-聚乙烯吡咯烷酮复合物；

31、s2：将新鲜制备的3~4×10−3 m二酰肼和30~40wt%葡萄糖水溶液按3:1~1:1体积比加入s1制备的银-聚乙烯吡咯烷酮复合物中，将产物经水洗纯化，离心分离；

32、s3：将s2中分离后产物在60 ℃下真空干燥，得到亮黄色粉末，即为银纳米颗粒；将合成的银纳米颗粒重新溶于乙二醇、乙醇和水的质量比为7:2:1的混合物中；将银纳米颗粒经球磨分散得到质量分数为10～15 wt%的纳米银颗粒油墨；

33、s4：在打印机上，将s3得到的银纳米颗粒油墨喷射到30~100 μm厚的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜上，制备出具有叉指定子和光栅滑块的柔性的摩擦纳米发电机，其中，液滴尺寸为2~3 pl，液滴间距约为4~6 μm；将喷墨印刷的样品即制备的叉指定子和光栅滑块在对流烘箱中进行烧结，摩擦纳米发电机中叉指定子的大小为50~100 mm×30~50mm，光栅滑块的大小为30~50 mm×50 mm；

34、s5：定子中打印的摩擦纳米发电机的两个电极表面覆盖一层聚合物薄膜，作为摩擦纳米发电机的摩擦电层。

35、在本发明的一种或多种实施方式中，上述打印机为压电式喷墨打印机或加热式喷墨打印机。

36、在本发明的一种或多种实施方式中，步骤s4中，上述叉指定子和光栅滑块根据实验要求设置各种尺寸大小。

37、在本发明的一种或多种实施方式中，步骤s4，用数字喷墨印刷法制备摩擦纳米发电机的电极为叉指定子和光栅滑块电极或根据实验要求设置各种形状电极。

38、本发明还提供一种上述柔性摩擦纳米发电机或根据上述制备方法制得的柔性摩擦纳米发电机在用于制备可穿戴设备的应用。

39、从上述技术方案可以看出，本发明提出的一种基于数字喷墨印刷法的柔性摩擦纳米发电机，其采用数字喷墨印刷法是一种非接触、无掩膜、低成本和高分辨率的油墨沉积工艺制成，在平面金属或聚合物衬底上构建二维图案层是一种优选技术，其具有以下有益效果：

40、（1）本发明由数字喷墨印刷法制备的叉指定子和光栅滑块电极的柔性摩擦纳米发电机具有更高的电输出性能，柔性可穿戴的摩擦纳米发电机可以为可穿戴电子器件供电。

41、（2）本发明采用的数字喷墨印刷法可以在各种不同材料的表面直接印刷出导电图案，可以通过定制印刷来满足人们对不同形状和尺寸的摩擦纳米发电机的需求，非常灵活。

42、（3）本发明采用的数字喷墨印刷法可以精确地控制印刷过程中的油墨量和印刷位置，可以将导电图案印刷在特定的地方，以实现更好的电能转换效率。

43、（4）本发明采用的数字喷墨印刷法的生产效率高，印刷速度快，可以快速完成印刷过程，从而提高了生产效率，降低了制造成本。

44、（5）本发明采用的数字喷墨印刷法使用碳纳米管、聚乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸、银纳米颗粒等各种类型的材料作为油墨，不含污染物质，不会对环境造成影响。

45、（6）本发明采用的数字喷墨印刷法有广泛适用性，可以用于制造各种尺寸和形状的摩擦纳米发电机，而且可以在不同类型的材料上进行印刷，包括塑料、金属和纸张等材料。

46、总之，本发明用硝酸银和还原剂制备银纳米颗粒，通过球磨分散得到银纳米导电油墨。将银纳米导电油墨通过数字喷墨印刷法，在柔性基底上制备摩擦纳米发电机的电极，在叉指定子上涂覆一层摩擦电层，制作柔性可穿戴的摩擦纳米发电机。通过数字喷墨印刷，可以自由设计和获得各种结构和尺寸的银光栅滑块和叉指定子电极。拓展了数字喷墨印刷的应用范围，满足了摩擦纳米发电机对柔性、大面积电极电路的要求，降低整体工艺成本，同时具有制作精度高、通用性强、生产效率高等优点。