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    Nano Energy:基于電紡聚偏氟乙烯納米纖維的新型摩擦納米發電機用于聲能收集

     
    發布日期:2018-11-26
     

    物聯網(IOT)的快速發展促進了各種低功耗電子設備的廣泛應用,因此,有效地為這些電子設備供電受到極大的關注。聲能作為一種無處不在的可再生能源,廣泛分布在世界各個角落,如工廠機器和建筑工地的噪音。聲能捕獲并不是普遍作為其他類型的能量收集,這主要歸因于其相對較低功率密度和缺乏有效的清除技術。在以往的聲能采集研究中,大部分研究都集中在壓電發電機上,壓電發電機存在結構復雜程度高、輸出性能低等缺點。此外,許多設備的工作頻率通常在幾千赫茲到兆赫之間,而日常生活中實用的聲源主要由低頻元件組成,這使得這些設備效率低下。摩擦納米發電機作為一種新興技術,成為解決這些問題的理想途徑。由于電氣化和靜電感應的耦合作用,可以以較低的成本和相對簡單的結構實現顯著的電輸出。

    近日,香港中文大學和河南大學研究者構建了基于電紡聚偏氟乙烯(PVDF)納米纖維的摩擦納米發電機(TENG),以輕薄的PVDF納米纖維為振動膜,方便低頻聲波的能量捕獲。更重要的是,通過將TENG與聚合物管集成,振動膜采集到的聲波可以由未定義的聲波轉換為平面波,從而提高聲壓,提高電輸出。在170 Hz和115 dB聲波下,TENG產生400 V的開路電壓和175μA的短路電流,瞬間最大峰值功率密度為7 Wm-2。 收集的聲能可以同時點亮55個商用發光二極管(LED)。TENG可以通過比較不同聲壓和頻率下的電信號,利用20 Hz到1000 Hz的寬帶聲波驅動,進行聲頻分析和噪聲檢測。此外,所制備的TENG還可以作為自供電的有源傳感器,用于檢測聲源方向和發聲對象的運動速度。該項工作不僅為制造高性能的TENG將環境聲能轉化為電能提供了一種簡單、經濟的方法,而且為自供電的傳感提供了一種方法,在軍事監視、人工智能、物聯網和噴氣發動機降噪等領域具有潛在的應用前景。相關研究成果以“A Novel Triboelectric Nanogenerator Based on Electrospun Polyvinylidene Fluoride Nanofibers for Effective Acoustic Energy Harvesting and Self-powered Multifunctional Sensing”為題發表于國際著名期刊Nano Energy。


    圖1. 聲音驅動的TENG的結構設計和工作原理。(a)TENG與聚合物管結合的示意圖。(b)具有夾層結構的TENG的正視圖。(c-i)和(c-ii)PVDF納米纖維和導電織物的SEM圖像。(d)由聲音驅動的TENG的工作機制。


    圖2. 115 dB聲波下聲音驅動的TENG的電輸出?;诓煌l率的PVDF納米纖維TENG的VOC(a)Isc(b)。Voc(c)和Isc(d)在170Hz頻率下的放大視圖。由商用PVDF膜制成TENG的Voc(e)和Isc(f)的對比。

     
     
     

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