学科专业：材料学

论文题目：新型摩擦纳米发电机的设计及其自供能应用研究

答辩人：任小虎

指导教师：樊慧庆 教授

时间：2018年12月24日上午10: 00

地点：西工大友谊校区公字楼334

 一、学位论文简介

摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电效应和静电感应耦合作用的机械能-电能转化器件，具有能量密度大、转换效率高、质量轻、成本低、选材广泛、可规模化等诸多优点。能够从生物运动、机械振动、波浪、气流等多种多样的机械能中获得能量，可以为便携式电子终端、环境检测、医药研究、能源转换等提供自供电和自驱动器件，具有巨大的应用前景。要利用摩擦纳米发电机实现实际应用，需要从材料性能优化与器件结构设计出发，提高摩擦纳米发电机的电输出特性与能量转换效率。此外，还要考虑设计的摩擦纳米发电机的工艺性、稳定性、环保性以及成本等特性，从而使其适应于各种不同的应用需求。本论文以材料性能优化与结构设计为原始出发点，旨在解决摩擦纳米发电机在构建自供能系统中的一些难题。本文取得的主要创新与贡献如下：

(1)以改性的固体废弃物为摩擦电极构建了接触-分离式摩擦纳米发电机。该发电机以废弃橡胶粉作为负摩擦电极材料，通过对橡胶粉颗粒氟化改性极大地提高了纳米发电机的输出性能。

(2)设计了一种磁力驱动的非接触式磁电-摩擦电混合纳米发电机。该混合发电机集成了接触-分离式摩擦纳米发电机与电磁发电机。在摩擦纳米发电机中，以磁性Fe3O4纳米颗粒嵌入的聚偏二氟乙烯（Fe3O4@PVDF）纳米纤维膜作为负摩擦电材料，使其可以通过外磁场变化非接触式地触发驱动。将同一机械能同时通过不同形式转换为电能，可以通过外磁场变化非接触式地触发同时驱动摩擦纳米发电机与电磁发电机。

(3)开发了一种柔性的可穿戴的自充电能源织物，该器件由一个储存能源的纤维状非对称超级电容器和收集能源的摩擦纳米发电机织物所组成。该自充电能源织物能有效地收集人体运动机械能并将转换的电能存储在储能器件中为电子产品供能。

(4)基于同轴旋转式摩擦纳米发电机构建了一种风能收集器。其中以静电纺丝纳米纤维作为摩擦电材料。该器件可以高效地将环境中的风能转化为电能。将该器件与电解水结合构建了一种自供能电解水产氢系统。可以将环境中的风能转换为电能并通过变压整流后电解离子溶液产生氢气，用于新型清洁能源的制备。

二、攻读博士学位期间以第一作者发表的与学位论文相关的学术论文

[1]第一作者，Wind energy harvester based on coaxial rotatory freestanding triboelectricnanogenerators for self-powered water splitting, Nano Energy, 2018, 50, 562-570. (SCI: 000438076200065);

[2]第一作者，Magnetic force driven noncontact electromagnetic-triboelectric hybrid nanogenerator for scavenging biomechanical energy. Nano Energy, 2018, 35, 233-241. (SCI: 000400647900027);

[3]第一作者，Flexible lead-free BiFeO₃/PDMS based nanogenerator as piezoelectric energy harvester. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8, 26190-26197. (SCI: 000384951800064);

[4]第一作者，Triboelectric nanogenerators based on fluorinated wasted rubber powder for self-powering application. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2017, 5, 1957-1964. (SCI: 000393634600082);

[5]第一作者，Hierarchical Co₃O₄/PANI hollow nanocages: Synthesis and application for electrode materials of supercapacitors. Applied Surface Science, 2018, 441, 194-203. (SCI: 000427816400023);

[6]第一作者，Coaxial rotatory-freestanding triboelectric nanogenerator for effective energy scavenging from wind, Smart Materials and Structure, 2018, 27, 065016. (SCI: 000431781600007);