高效的风能采集器—含ZnO纳米粒子的聚偏氟乙烯电纺丝纤维

　　移动电子设备和无线传感器正在逐渐微型化，由于巨大的技术发展，功率需求也减少。然而，随着设备数量的增加，通过常规电池为这些装置供电变得具有挑战性，充电或更换电池成为一项巨大的任务。如果设备可以通过使用周围环境中的可用能量自供电模式运行，将会是换电池的永久解决方案。因此，从周围机械振动中获取能量变成设计自供电电子器件设备的一种可能方法。可以将机械振动转换成电能振动的压电纳米发电机(NG)成为最有可能的动力源因为振动永远到处存在。NG已用于从各种机械振动获取能量，例如身体移动、气流、摩擦、振动和水力，风能的收集已逐渐变得越来越有趣，因其丰富、无处不在、供应稳定和风能较大的能量容量。

　　印度贾达普大学Dipankar Mandal 和Md. Mehebub Alam制备了一种高效的风能采集器—含ZnO纳米粒子的聚偏氟乙烯电纺丝纤维，成果于2017年11月发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。

　　本文报道了一种新的在30 min内快速简单地合成含ZnO的纸灰(ZPA)技术。用ZnAc2·2H2O水溶液浸渍打印纸碎片，将浸渍后的打印纸烘干、燃烧、粉碎、研磨得到ZPA。合成的ZPA可以替代电纺PVDF纳米纤维(NF)中用于提高电活性β相含量的传统的半导体填料。ZPA与PVDF混合液用商用静电纺丝设备纺丝，制备出含ZPA的PVDF纳米纤维(ZPA-PVDFs)，同时用ZPA-PVDFs制造了纳米发电机(NFNG)，可在145 Pa的风压下输出4.8 V电压。微小风压的检测能力，甚至从人嘴里吹的气，使NFNG成为有源传感器，可用于通话中的手机充电。因此，这一方法有望成为风能采集平台，有利于设计集成的自供电可穿戴电子设备。

　　Figure 3. (a) Digital photograph showing that strain was given by an air gun and the NFNG was attached to a rigid frame for piezoelectric voltage generation. (b) Output voltage under wind pressure. Simulation result of the (c) displacement and (d) piezopotential distribution in the network structure of NFs under wind pressure. (e) Driving of a blue light-emitting diode (LED) by the NFNG under wind pressure. The NFNG is directly connected to a blue LED to light it up. The inset shows a schematic of a circuit diagram for LED lighting. (f) Performance of capacitor charging of the NFNG under wind pressure. The inset shows a schematic of a circuit diagram for capacitor charging. The ac output voltage generated from the NFNG is converted to dc voltage via the full wave rectifier and is utilized to charge the capacitor

　　图3a显示了包含NFNG的ZPA-PNFs的风能采集能力的设计功能。一种可调节流速的气枪用作风源，NFNG附接到刚性的距气枪30 cm的框架上。研究发现当NFNG受到风速为10m/s的垂直风压时，输出电压为1.8 V(图3b )。图3 c和d显示了风压作用下NFs网络结构中位移和压电势分布的模拟结果。图3e显示NFNG在风压下可以点亮蓝色发光二极管(LED)，插图显示了点亮LED电路图的示意图。( f ) NFNG在风压下的电容器充电性能，插图显示了电容器充电电路示意图。

　　Figure 4. (a) Schematic demonstration of voltage generation under human mouth blowing. (b) Output voltage under human mouth blowing. Simulation results of the (c) piezopotential distribution and (d) displacement distribution in the network structure of NFs under human mouth blowing

　　将NFNG放置在接近人口腔处(8 cm以内)并通过吹气驱动(图4a )。当NFNG在较弱的吹气压力下( WV∼1 ms- 1)变形时，输出电压其峰值为0.2 V。对电势分布进行的理论模拟(图4c)显示变形分布范围较小(图4d)。

　　本文合成的含ZnO的纸灰(ZPA)可以替代常规的半导体填料，可以有效地提高电纺的聚偏氟乙烯的电活性β相含量，使其成在电驱动功率方面更优越。制备的NFNG为活性传感器，因此，预计在不久的将来可在通话期间为移动电话充电。该方法为风力发电提供了一个独特的平台能量收集，引导我们设计自供电可穿戴电子设备。

　　文章信息：Md. Mehebub Alam, Sujoy Kumar Ghosh, Ayesha Sultana and Dipankar Mandal*，An Effective Wind Energy Harvester of Paper Ash-Mediated Rapidly Synthesized ZnO Nanoparticle-Interfaced Electrospun PVDF Fiber，ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 292-299