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北石化楊丹副教授聯合中科院納米能源所陳翔宇研究員《Nano Energy》:利用摩擦納米發電機驅動離子聚合物金屬復合材料取得進展
2019-10-11  來源:高分子科技

  北京石油化工學院楊丹副教授聯合中國科學院北京納米能源與系統研究所陳翔宇研究員,利用摩擦納米發電機(TENG)成功研制出自驅動離子聚合物金屬復合材料(IPMC)系統,即TENG-IPMC系統。相關研究成果的學術論文“Ionic polymer-metal composites actuator driven by the pulse current signal of triboelectric nanogenerator”于2019年10月1日發表在Elsevier旗下的SCI期刊《Nano Energy》上。楊丹副教授為論文第一作者,陳翔宇研究員為通訊作者,北京石油化工學院為論文第一完成單位。

  IPMC是一種電活性聚合物,在電場刺激作用下能發生形變,被稱為“人工肌肉”。但是IPMC需要外接直流電源,這嚴重限制了IPMC的實際應用。2012年,摩擦納米發電機(TENG)的概念首次被王中林院士提出,TENG能將外界環境中材料的接觸分離或者摩擦產生的機械能轉化成電能,具有高輸出、低成本、結構設計簡單及環境友好等優點,不僅可作為能源,而且可作為自供電傳感器。將IPMC與TENG結合,利用TENG多次運動周期產生的轉移電荷可以有效驅動IPMC,這就為以TENG的電流作為控制信號開發了新方法。與直流電源相比,TENG-IPMC系統只需直流電源0.1%的轉移電荷即可達與其相同的偏轉角度,同時通過調控TENG的設計參數可以精準控制IPMC的驅動性能。所研發的TENG-IPMC系統作為智能電驅動,可應用于自供電機器手、可調諧激光控制器、液體中移動的柔性機器人等。

圖1 (a)為IPMC中的電極制備過程,(b)為 IPMC電極的微觀形貌,(c)為IPMC的驅動原理,(d)為IPMC的離子嵌入機制。

圖2 (a)和(b)為TENG-IPMC在不同轉移電荷和摩擦面積下的驅動性能,(c)為IMPC在直流電源下不同轉移電荷的驅動性能,(d)為TENG-IPMC的循環性能,(e)為IPMC在不同摩擦面積TENG下的阻滯力,(f)為IPMC在直流電源下的阻滯力,(g)就空氣環境中IPMC在直流電源和TENG驅動下的性能進行了對比。

圖3展示了TENG-IPMC的實際應用:(a)和(b)為TENG-IPMC夾持物體,(c)和(d)為TENG驅動IPMC光線移動,(e)為TENG驅動IPMC在液相環境中的致動效果實驗圖,(f)為TENG應用在魚尾的示意圖。

  《Nano Energy》期刊主題為“納米材料或納米器件在能源相關領域中的應用”,主要收錄與主題相關的實驗和理論研究工作。該期刊在2019年中國科學院SCI期刊分區表中屬于工程技術類1區Top期刊,最新影響因子為15.548,五年平均影響因子為15.280。

  論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519308468

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(責任編輯:xu)
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