摩擦纳米发电机的设计及其在环境电化学中的应用研究

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在能源日益匮乏的今天,新型高效绿色的发电方式已经成为各国竞相争取的制高点之一。摩擦纳米发电机(TENG),作为一种新型的绿色发电方式,能够有效地收集自然界中常见的机械能,如人类日常活动的动能、汽车碾压地面的机械能、波浪能、潮汐能、风能,并有望在智能传感、环境检测、健康医疗、便携电子产品等领域产生广泛应用。其巨大的应用潜能受到科学家们的极大关注,并且越来越多的人投入到TENG的研究中去。  随着社会的发展,环境问题也越来越受到人们的重视。由于传统的空气污染治理和水污染治理方法耗能高,成本大,因此,亟需研制出新型节能的空气污染和水污染治理方法。为了实现这一目的,探究出新型节能的治理环境污染方法,我们用电化学的方法研究了TENG在自驱动空气净化和自驱动污水处理方面的应用。  首先,对TENG的结构进行了重新设计,构筑了一种柔性超薄单电极TENG(S-TENG)和超精细微栅格旋转式TENG(R-TENG)。该柔性超薄S-TENG可以做成不透明结构和透明结构,并且将摩擦层、电极层和基底集成在一个薄片上,厚度可以控制在0.1 mm以内,只需要一个电极输出端。该S-TENG结构简单、价格低廉、柔性超薄,电流输出可以达到78μA,有望在柔性可穿戴器件或压力传感等诸多领域产生广泛应用。超精细微栅格R-TENG,对传统的微栅格R-TENG进行了精细化处理,将扇形微栅格的中心角从3°减小到1°,从而将其电流输出从1 mA左右提高到3 mA左右,满足了环境电化学反应的需求。  然后,基于超精细微栅格R-TENG,探究了其在环境电化学方面的应用,构筑了自驱动空气净化系统和自驱动污水处理系统。在自驱动空气净化系统中,R-TENG收集自然界中的风能来驱动空气净化系统工作,其输出电压用来静电吸附雾霾颗粒,其输出电流用来氧化二氧化硫,工作5h,平均每克铜网吸附0.327 g粉尘颗粒,二氧化硫的除去率高达55 ppm·h-1。传统的静电吸附法需要上千伏的高压,而该自驱动空气净化系统吸附粉尘颗粒时用的是R-TENG产生的数百幅的电压,并且氧化SO2时无副产物,避免了传统空气净化方法高耗能的问题,实现了用环境本身的能量来治理环境本身的设想。  在自驱动污水处理系统中,R-TENG收集污水的动能并将其转化为电能,然后用于除去罗丹明B(RhB)和Cu2+。该自驱动污水处理系统15分钟可以100%除去RhB(浓度在100 ppm以下),3小时可以除去97.3%的Cu2+(浓度低于150 ppm),并且除去率要高于常规直流电驱动的污水处理过程。该污水处理系统电沉积的铜比直流电沉积的铜更致密、均匀、有更小的粒径(d=20 nm),这说明TENG在电镀行业也有极大的应用潜能。  综上所述,TENG能够用于自驱动空气净化和污水处理,在环境电化学领域中有很大的应用前景。
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