[发明专利]一种泡沫金属摩擦单元及其制备方法和应用、单电极摩擦纳米发电机及其应用

说明书

本发明涉及微型发电机技术领域，尤其涉及一种泡沫金属摩擦单元及其制备方法、单电极摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。本发明的泡沫金属摩擦单元包括泡沫金属基体和分布于所述泡沫金属基体内外表面的纳米金属氧化物，所述纳米金属氧化物包括金属氧化物纳米线或金属氧化物纳米管；所述纳米金属氧化物的表面附着有氟化分子层。将本发明的泡沫金属摩擦单元用于制备单电极摩擦纳米发电机可以提高摩擦纳米发电机的集能潜力，还可以用于收集喷雾等气液两相流能量。

技术领域

本发明涉及微型发电机技术领域，尤其涉及一种泡沫金属摩擦单元及其制备方法和应用、单电极摩擦纳米发电机及其应用。

背景技术

在过去的几十年里，从绿色和可再生能源中获取能量，如太阳能、风能、热能和潮汐能等，已经成为满足日益增长的能源消耗的必要解决办法。目前，基于各种物理机制的方法，如压电、静电和电磁效应等，已经被用来收集多种能量。其中，摩擦起电效应作为我们日常生活中最普遍的物理现象之一，其产生于大多数日常机械接触产生的静电。最近，基于摩擦起电效应的摩擦纳米发电机(TENG)被证明是一种经济、可靠、高效的将机械能转换为电能的装置。能量转换是通过摩擦起电效应和静电感应耦合实现的：摩擦电极性不同的材料之间周期性的接触和分离产生的电位降将驱动电子流过外部负载并产生连续输出。

2013年，基于液-固摩擦起电的摩擦纳米发电机首次被提出，迄今为止，在世界范围内许多科研工作者已经基于TENG的不同工作模式研究制备出了成本低、产量大以及材料多样化的TENG器件进行水动力能的收集和利用。例如，2014年佐治亚理工学院的王中林教授团队首先利用AAO模板构建表面具有纳米结构的PTFE疏水膜，并将其设计成单电极模式的water-TENG对液滴和液流等进行能量收集(《Harvesting Water Drop Energy by aSequential Contact-Electrifi cation and Electrostatic-Induction Process》，DOI:10.1002/adma.201400373)；又如，中科院兰州化学物理研究所的王道爱研究员团队制备了多种可自修复疏水涂层，并将其涂覆至海洋工程用金属基底，可以用于收集海洋波浪能，摩擦起电电流达到4μA(《New Hydrophobic Organic Coating Based TriboelectricNanogenerator for Efficient and Stable Hydropower Harvesting》，doi.org/10.1021/acsami.0c03843)。

但是，以上这些基于TENG进行能量收集的发明大多是以疏水薄膜或者涂层等二维平面建立与水滴和波浪接触分离的摩擦界面，尽管这种二维平面摩擦可以使纳米发电机获得较大的能量收集能力，但在一定程度上也限制了纳米发电机的能源收集潜力。另外，二维摩擦平面的阻碍性使其只适用于液体的往复接触分离摩擦，并不能满足运输条件下液相流或者气液两相流能量的收集。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泡沫金属摩擦单元及其制备方法和应用、单电极摩擦纳米发电机及其应用，将本发明的泡沫金属摩擦单元用于制备单电极摩擦纳米发电机可以提高摩擦纳米发电机的集能潜力，还可以用于收集运输条件下液相流或者气液两相流能量。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种泡沫金属摩擦单元，包括泡沫金属基体和分布于所述泡沫金属基体内外表面的纳米金属氧化物，所述纳米金属氧化物包括金属氧化物纳米线或金属氧化物纳米管；

所述纳米金属氧化物的表面附着有氟化分子层。

优选的，所述泡沫金属基体为泡沫铜、泡沫钛、泡沫铝、泡沫铜合金、泡沫钛合金或泡沫铝合金；所述纳米金属氧化物中的金属氧化物为泡沫金属对应的氧化物。