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        纖維改性提高纖維素紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能*

        2022-03-24 02:36:38林嫦妹華梓鋒蘭金鑫曹石林馬曉娟
        林產(chǎn)工業(yè) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:納米銀紙張多巴胺

        林嫦妹 華梓鋒 蘭金鑫 曹石林 馬曉娟

        (福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院,福建 福州 350108)

        人類正面臨著石油化工能源短缺和環(huán)境污染的困境,開發(fā)和利用新型、綠色環(huán)保和可再生能源迫在眉睫[1]。紙張是人類最偉大的發(fā)明之一,也是最常見的可再生材料之一,具有柔順性好、成本低、質(zhì)量輕、可再生降解、對環(huán)境友好等特點(diǎn)。為了緩解能源短缺的壓力,人們逐漸將紙張應(yīng)用于功能性電子器件,例如太陽能電池、傳感器、晶體管、納米發(fā)電機(jī)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS),用于將太陽能、風(fēng)能、機(jī)械能等可再生能源轉(zhuǎn)化為電能[2-10]。在眾多的可再生能源中,機(jī)械能是一種不受天氣等環(huán)境影響并且持續(xù)不斷的能源,是日常生活中最常見的能源之一,具有各種各樣的表現(xiàn)形式,例如空氣流動(dòng)、水流動(dòng)、聲波振動(dòng)、車輛運(yùn)動(dòng)、生物體運(yùn)動(dòng)等。然而,機(jī)械能所蘊(yùn)含的能量往往被人們忽略,直至納米發(fā)電機(jī)發(fā)明。2012年王中林院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了摩擦納米發(fā)電機(jī)(Triboelectric nanogenerator, TENG),之后收集機(jī)械能并轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù)才逐漸得以開發(fā)[11]。納米發(fā)電機(jī)主要包括壓電納米發(fā)電機(jī)、靜電發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī)三類,是一種收集機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化成電能的器件[12-17]。其中,TENG因具有輸出性能高、制備成本低、質(zhì)量輕、材料選擇性廣等特點(diǎn)備受關(guān)注,其主要由基底材料(PET)、電極材料(Au,Ag,Al 和Cu等)、兩種不同摩擦電性能的電正負(fù)性摩擦材料以及外接電路組成[18-20]。紙張?jiān)谀Σ吝^程容易失去電子而帶正電荷,具有失電子能力,可用作TENG的電正性摩擦材料,與聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等電負(fù)性摩擦材料通過接觸分離可產(chǎn)生摩擦電荷,從而制備紙基TENG[19,21-22]。Yang等[23]開發(fā)了一種螺旋狀結(jié)構(gòu)的紙基TENG,其開路電壓為20 V,短路電流為2 μA。Chen等[24]采用皺紋紙和硝基纖維素膜為摩擦材料制備了紙基TENG,在工作頻率為10 Hz下,其輸出電壓和電流分別為196.8 V和31.5 μA,以上研究表明,紙基TENG的輸出性能優(yōu)異,但是需要在高頻率的工作條件下才能獲得優(yōu)異的輸出性能,這影響到紙基TENG的應(yīng)用與發(fā)展。

        為了提高紙基TENG在低頻率工作條件下的輸出性能,本研究以聚多巴胺(PDA)和葡萄糖為還原劑,銀氨溶液為銀源,聚乙烯吡咯烷酮為表面活性劑,通過原位合成的方法,在纖維素纖維表面合成銀納米顆粒,以提高纖維的電正性摩擦性能,并將其應(yīng)用于紙基TENG,研究不同紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)(P-TENG)的輸出性能以及引起其差異的原因。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        溶解漿漿粕由福建省三明市青山紙業(yè)提供。硝酸銀(AR, 98%)和葡萄糖(AR,98%) 均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;鹽酸多巴胺(AR,98%)、三羥甲基氨基甲烷(Tris,AR,99%)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP,Mw=58 000)購于阿拉丁試劑有限公司。氨水(AR,37%)購自天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 設(shè)備

        主要試驗(yàn)設(shè)備如下:抄紙機(jī)(S958540014,F(xiàn)RANK-PTI, 德國),X-射線粉末衍射儀(Ultima IV,日本),X射線光電子能譜儀(ESCALAB 250, Thermo Scientific, 美國),冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Verios G4 UC,F(xiàn)EI,美國),直線電機(jī)(HF01-37,Linmot,美國),低噪聲電流前置放大器(Model SR570,斯坦福,美國),吉時(shí)利系統(tǒng)數(shù)字源表(6517B,吉時(shí)利,美國)。

        1.3 納米銀復(fù)合紙(Ag@paper)的制備

        本試驗(yàn)采用原位化學(xué)合成方法制備納米銀復(fù)合紙(Ag@paper),主要包括以下4個(gè)步驟[25-26]:1)稱取一定質(zhì)量的溶解漿漿粕,加入適量去離子水使其濃度為5 wt%,在室溫下浸泡6 h,再用適量去離子水調(diào)節(jié)紙漿纖維濃度為2 wt%,用標(biāo)準(zhǔn)纖維解離器在室溫下進(jìn)行解離;2)通過多巴胺氧化自聚合在纖維表面沉積一層聚多巴胺功能層,從而實(shí)現(xiàn)纖維的表面改性。用 Tris-HCl 溶液調(diào)節(jié)4 g/L的多巴胺水溶液的pH到8.5,并將一定量纖維加入到上述多巴胺溶液中(其中纖維的濃度為2 wt%),在機(jī)械攪拌下室溫反應(yīng) 24 h,之后過濾并用去離子水洗滌至中性,自然風(fēng)干得到聚多巴胺改性復(fù)合纖維;3)利用原位合成的方法在聚多巴胺改性復(fù)合纖維表面還原納米銀顆粒。在磁力攪拌下,配制一定濃度的銀氨溶液,其組成:硝酸銀(5、10、15、20 g/L),氨水,0.25 wt% PVP,氨水的用量取決于使硝酸銀溶液由渾濁剛好變?yōu)槌吻?。然后,將聚多巴胺改性?fù)合纖維加入到配好的銀氨溶液中,使得纖維濃度為2 wt%,機(jī)械攪拌 30 min,使Ag+吸附于改性纖維表面,利用聚多巴胺的氧化還原作用,將銀離子還原為納米銀活性中心,之后將相同體積濃度為硝酸銀2 倍的葡萄糖溶液緩慢滴入銀氨溶液,繼續(xù)反應(yīng) 60 min。最后,過濾并用去離子水清洗樣品至濾液無Ag+,從而獲得負(fù)載納米銀的纖維;4)Ag@paper抄造。利用抄紙機(jī)將上述所得負(fù)載銀的纖維抄成紙張(紙張的定量為60 g/L),然后將所得紙張?jiān)?5 ℃下壓榨干燥獲得負(fù)載納米銀的紙張,用Ag@paper表示。將纖維按上述紙張抄造過程制備空白樣品,記為空白紙張。根據(jù)硝酸銀濃度從低到高依次將所獲得的Ag@paper標(biāo)記為Ag@paper-5,Ag@paper-10,Ag@paper-15,Ag@paper-20。

        1.4 P-TENG的構(gòu)建

        本試驗(yàn)構(gòu)建的P-TENG(紙基摩擦納米發(fā)電機(jī))的工作模式為接觸分離模式,其制備過程如下:將制備的Ag@paper和聚四氟乙烯薄膜(PTFE)裁剪成6 cm× 6 cm,并采用離子濺射儀將Ag@paper和PTFE薄膜的其中一面噴金5 min,然后將Ag@paper噴金的一面用銀導(dǎo)電膠粘貼于普通打印紙上,對 PTFE薄膜亦作相同的操作,最后將兩者構(gòu)建為P-TENG,其結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

        圖1 P-TENG結(jié)構(gòu)示意圖與工作原理Fig. 1 The structural diagram and the working mechanism of P-TENG

        1.5 Ag@paper的結(jié)構(gòu)和形貌表征

        采用配備Cu-Ka靶(入射波長為0.154 nm)的 X-射線衍射儀對空白樣品和Ag@paper進(jìn)行測試,管電壓為40 kV,管電流為40 mA,掃描2θ角度范圍為5°~90°,掃描速度為10°/min。采用X 射線光電子能譜對空白樣品和Ag@paper的元素組成進(jìn)行分析。采用掃描電子顯微鏡觀察空白紙張和Ag@paper的表面形貌。

        1.6 Ag@paper抗菌性能測試

        采用瓊脂平板計(jì)數(shù)法,分析Ag@paper對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率[27-28]。將瓊脂溶液、0.5 wt%NaCl溶液、LB肉湯在高壓滅菌鍋中121 ℃滅菌15 min。待溫度降低至50 ℃后,將瓊脂倒入直徑為90 mm的培養(yǎng)皿中,凝固后制成瓊脂平板。將不同反應(yīng)條件下制得的空白紙張和Ag@paper剪碎成小紙片,稱取0.1 g,放在紫外燈下激發(fā)備用,然后在裝有10 mL菌液的試管中加入樣品,其中菌液的濃度為105CFU/mL,再放入恒溫?fù)u床,在37 ℃下震蕩24 h,將震蕩好的菌液用0.5 wt%NaCl進(jìn)行稀釋,之后進(jìn)行涂布,再將涂布菌液的培養(yǎng)基放置于恒溫恒濕培養(yǎng)箱里(溫度37 ℃、濕度50%),培養(yǎng)24 h后進(jìn)行觀察。Ag@paper的抑菌率(%)采用以下公式計(jì)算:

        式中:CFU為菌落(活菌)數(shù)量。

        1.7 P-TENG的性能表征

        P-TENG的短路電流由斯坦福低噪聲前置電流放大器測得,吉時(shí)利系統(tǒng)數(shù)字源表檢測開路電壓,整個(gè)器件置于帶有控制器的直線電機(jī)上,接觸分離的頻率設(shè)置為1 Hz。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 Ag@paper的XRD分析

        空白紙張和Ag@paper的XRD譜圖如圖2所示。由圖2可知,空白紙張和Ag@paper-15的XRD譜圖在2θ=16.1°、 22.6°及34.5°處有衍射峰,分別對應(yīng)于纖維素I型的(110)、(200)和(004)晶面[29-30]。與空白紙張相比,Ag@paper-15在2θ=38.2°、44.7°、 64.9°、 77.8°和82.1°出現(xiàn)新的衍射峰,分別對應(yīng)于銀單質(zhì)的 (111)、(200)、(220)、(311) 和(222)晶面[31-33],說明Ag@paper-15的納米銀顆粒為面心立方結(jié)構(gòu)。除此之外,從圖2中亦可觀察到Ag@paper-15除了有纖維素I型和銀單質(zhì)的衍射峰,未出現(xiàn)AgO或者Ag2O的衍射峰,說明制備的Ag@paper中銀納米顆粒純度較高。

        圖2 空白紙張和Ag@paper的XRD譜圖Fig.2 XRD spectra of the blank paper and Ag@paper

        2.2 Ag@paper的XPS分析

        為了進(jìn)一步說明Ag@paper中的元素組成及銀元素的化學(xué)狀態(tài),采用XPS對空白紙張和Ag@paper-15進(jìn)行測試,結(jié)果如圖3所示。從圖3a可以看出,與空白紙張相比較,Ag@paper-15的XPS譜圖在結(jié)合能398.5 eV和370.0 eV出現(xiàn)了新的吸收峰,分別屬于N1s和Ag3d的峰位置,說明聚多巴胺已經(jīng)成功地負(fù)載在紙張纖維表面,且Ag@paper中存在銀元素。為了進(jìn)一步說明Ag@paper-15中銀元素的化學(xué)狀態(tài),將所得銀元素的XPS曲線進(jìn)行分峰處理,如圖3b所示。結(jié)果表明:Ag3d譜圖在結(jié)合能368 eV和374 eV處有吸收峰,分別對應(yīng)Ag0的Ag3d5/2and Ag3d3/2峰位置,且兩者結(jié)合能間隔量為6 eV,說明銀元素是以金屬銀的狀態(tài)存在于Ag@paper中[7]。

        圖3 空白紙張和Ag@paper的XPS譜圖Fig.3 XPS spectra of blank paper and Ag@paper

        2.3 SEM分析

        通過SEM觀察空白紙張和Ag@paper-15的表面形貌和納米銀在紙張中的分布情況,結(jié)果如圖4所示。從圖4a可見,空白紙張中,纖維素纖維表面平滑,無銀顆粒沉積;而在圖4b中,可以觀察到Ag@paper-15的纖維表面有大量顆粒物質(zhì),且均勻分布在纖維表面,這說明通過原位合成的方法納米銀成功地附著在纖維素纖維上,使得纖維表面變得粗糙,從而有利于提高P-TENG的輸出性能。

        圖4 空白紙張和Ag@paper-15 樣品的SEM 圖Fig. 4 Scanning electron micrographs of blank paper and Ag@paper-15

        2.4 Ag@paper的抗菌性能

        有研究表明,當(dāng)摩擦材料不具抗菌性能時(shí),TENG長時(shí)間工作后會(huì)因摩擦材料表面生長細(xì)菌而降低的輸出性能,從而影響其在可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用[34-35]。因此,探究Ag@paper的抗菌性能具有重要意義。

        納米銀顆粒是一種殺菌力極強(qiáng),熱穩(wěn)定性優(yōu)異的抗菌劑,對大腸桿菌(革蘭氏陰性菌)和金黃色葡萄球菌(革蘭氏陰性菌)具有優(yōu)異的抑菌效果[36-38]。圖5和圖6顯示了用平板計(jì)數(shù)法測得的不同AgNO3濃度下Ag@paper對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌性能。從圖5可以看出,隨著AgNO3的增加,Ag@paper對大腸桿菌的抑菌性逐漸增強(qiáng),當(dāng)AgNO3的濃度增加到10 g/L以上時(shí),Ag@paper對大腸桿菌的抑菌性增強(qiáng)變得緩慢;Ag@paper對金黃色葡萄球菌的抑菌性趨勢與大腸桿菌相同,但明顯優(yōu)于大腸桿菌,例如Ag@paper-10對大腸桿菌的抑菌率為95.55%,而對金黃色葡萄球菌的抑菌率高達(dá)99.80%。

        圖5 Ag@paper對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率Fig. 5 Antibacterial rate of Ag@paperfor E. coli and S. aureus

        圖6 Ag@paper抑制大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的菌落照片F(xiàn)ig. 6 Bacterial colonies photographs of Ag@paper against E. coli and S. aureus

        圖6是樣品加入到菌液中并培養(yǎng)24 h,之后稀釋104倍再進(jìn)行涂布的培養(yǎng)基圖片。從圖中可以看出,隨著AgNO3濃度增加,培養(yǎng)基上的菌落存活數(shù)逐漸減少,而且大腸桿菌的菌落存活數(shù)大于金黃色葡萄球菌,進(jìn)一步說明Ag@paper對金黃色葡萄球菌的抑菌性能高于大腸桿菌。由于Ag@paper具有優(yōu)異的抗菌性能,因此以Ag@paper為摩擦材料的P-TENG長期工作過程中可防止細(xì)菌生長,在獲取人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能和檢測人體運(yùn)動(dòng)信息方面具有應(yīng)用潛力。

        2.5 P-TENG的輸出性能

        根據(jù)TENG的電極結(jié)構(gòu)和摩擦層的運(yùn)動(dòng)方式,TENG的工作模式分為4種:垂直接觸-分離式(CS)、水平滑動(dòng)式(LS)、單電極式(SE)和自由運(yùn)動(dòng)模式(FE)[39-43]。本研究制備的P-TENG模式為CS式。

        圖7所示為不同P-TENG在周期性接觸-分離運(yùn)動(dòng)下的輸出性能。為了研究不同濃度AgNO3制備的Ag@paper對P-TENG性能的影響,在作用力40 N下測定P-TENG的開路電壓和短路電流,結(jié)果如圖7a、b所示。隨著AgNO3濃度的增加,P-TENG的開路電壓和短路電流逐漸增大,這可能是AgNO3濃度增加后,Ag@paper中的納米銀粒子增加所致。當(dāng)AgNO3為20 g/L時(shí),P-TENG的開路電壓(95 V)和短路電流(0.19 μA)均達(dá)到最大值。

        圖7 不同Ag@paper制備的P-TENG的輸出性能Fig.7 The electrical output performance of P-TENG prepared by different Ag@paper

        研究表明,外界施加的作用力影響了TENG的輸出性能[44-45]。本文以Ag@paper-15為例,研究外界作用力對P-TENG的開路電壓和短路電流的影響。在10~50 N的外界作用力下對P-TENG性能進(jìn)行測試,結(jié)果如圖8所示。由圖8a、b可知,隨著外界作用力的增大,P-TENG的開路電壓基本穩(wěn)定在70 V左右,但是當(dāng)外界作用力從10 N增大至40 N時(shí),P-TENG的短路電流逐漸增大,進(jìn)一步增大作用力,P-TENG的短路電流基本保持不變。這可能是因?yàn)橥饨缱饔昧υ龃髸r(shí),Ag@paper和PTFE表面在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的摩擦電增加,從而使得P-TENG的輸出性能提高[45-46]。為使P-TENG的開路電壓和短路電流達(dá)到最大,外界作用力最小應(yīng)達(dá)到40 N。

        圖8 不同外界作用力下P-TENG的輸出性能Fig.8 The electrical output performance of the P-TENG at different force

        TENG的開路電壓和短路電流主要取決于摩擦材料的摩擦電性能,同時(shí)也會(huì)受到摩擦材料厚度的影響[21,47]。與其他摩擦材料如聚酰胺(PA)及聚氨酯(PU)等相比,紙張的摩擦電性能相對較弱,因此P-TENG在工作時(shí)產(chǎn)生的表面摩擦電荷較少,從而導(dǎo)致Au電極的感應(yīng)電荷較少。除此之外,本研究制備的Ag@paper厚度大于125 μm,增加了Ag@paper表面和Au電極之間的距離,可能使得Au電極的感應(yīng)電荷減少,從而使得P-TENG的短路電流較小。

        與其他P-TENG相比,本研究制備的P-TENG短路電流較小,但開路電壓卻有了大幅度提高。從不同紙基TENG的輸出性能對比(表1)可以看出,工作頻率為1 Hz時(shí),本研究制備的P-TENG輸出電壓提高了約3倍,甚至高于工作頻率為5 Hz時(shí)的輸出電壓,但是其輸出性能仍低于高工作頻率下的P-TENG。與硬紙和卡紙為電正性摩擦材料的P-TENG相比,Ag@paper具有良好的柔順性和優(yōu)異的抗菌性能,因此基于Ag@paper制備的P-TENG可應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。

        表1 不同紙基TENG的輸出性能對比Tab.1 Comparison of output performance of different paper-based TENG

        3 結(jié)論

        本研究通過原位合成的方法成功在纖維素纖維表面負(fù)載了納米銀,制備了抗菌性能優(yōu)異的Ag@paper,并作為摩擦材料用于制備質(zhì)量輕、柔性、可生物降解和輸出性能穩(wěn)定的P-TENG。研究表明:該P(yáng)-TENG的輸出性能與Ag@paper制備過程中AgNO3的濃度有關(guān),P-TENG的開路電壓和短路電流隨著AgNO3的濃度增加而增大,外界作用力的大小幾乎不影響P-TENG的開路電壓,但對短路電流的影響極為顯著,并且隨著外界作用力的增大,短路電流增強(qiáng)。Ag@paper具有良好的柔順性和優(yōu)異的抗菌性能,以Ag@paper為摩擦材料制備的P-TENG可應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。此外,纖維改性也為提高P-TENG的輸出性能提供了新途徑。

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