脚踩地板就能发电!两位江苏90后造出可发电木地板成功点亮一盏LED灯未来均计划回

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  比如冬天手碰到门把手,可能会感觉被“电”一样有麻麻痛痛的感觉,而摩擦发电是利用这种生活中常见的现象把机械能转换成有用的电能。

  虽然任意两个材料摩擦时都可以带电,但是带电量多少则不一定。总体来说,两种材料的极性差异性越大,带电量就越大,即最终发出来的电就越高。

  用木材制造纳米发电机存在一个问题,木材基本上是摩擦电中性的,这意味着木材只有十分微弱的得失电子能力,这限制了木材在摩擦发电领域的有效利用,因此该研究的目的在于如何有效提升木材吸引和失去电子的能力。

  为了提高木材的摩擦电性能,他们用极少的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 涂覆一块木材,使其在与另一个材料接触分离的时候拥有较强的电子能力。同时,他们还利用原位生长的方法在木材表面修饰纳米晶体沸石咪唑酯骨架材料-8 (ZIF-8)。据悉,ZIF-8 是一种常见的 MOF(金属有机框架,Metal-organic frameworks),可以增强木材失去电子的能力。

  具体来说,如果 ZIF-8 修饰的木材接触 PDMS 改性的木材时,电子会从 ZIF-8 改性木材的表面转移到 PDMS 改性木材的表面,此时因两种木材紧密贴合,整体保持了静电平衡,所以外部电路没有电流通过。一旦让两块改性木材分开,这种平衡便被打破,外部电路会有电流流过,达到发电的目的。

  由于 PDMS 是让木材带负电,ZIF-8 是让木材带正电,相比于两块原始木材的摩擦,改性的木材摩擦后发电性能大大提高。

  在本次成果中,两片木板的接触是分离的,踩的时候会出现一升一降的情况,因此实际应用时可能会不太方便。未来,最好做成单电极模式,只对一块木材改性,这样人正常走在上面,通过鞋子和木材的摩擦就可以发电,如此才真正实现了地板的功能。

  当然单电极有单电极的劣势,由于鞋子或脚直接和改性木材接触,那么木材涂层的污染和本身的生物相容性也是不小的挑战。

  据了解,孙建国之前的研究主要是对木材进行改性提升其电压性能,这是一种与本研究不同的木材发电原理。作为一种建筑材料,让木材具备额外的发电能力显然是一个新奇又有趣的想法。带着这样的想法,他找上了擅长 MOF 合成的屠坤坤。

  屠坤坤之前的研究,是使用 MOF 对木材进行改良,从而拓展木材的应用并解决 MOF 作为粉末材料不易加工成型的问题。MOF 是一个比较“时髦”的材料,它的性能是可调节的,并已被用到各种领域中。

  在该研究中,她主要负责 MOF 改性木材的制备和样品的表征;而孙建国主要负责 PDMS 改性木材的制备表征以及发电机性能的测试。除了他们之外,论文的其他作者也提供了很多帮助,不同的专业背景和知识碰撞在一起才有了这项有趣的研究。

  研究中,他们还测试了具有不同形貌的木材,以研究树种或木材的切割方向对其摩擦电特性的影响。除了引入容易得失电子的官能团,调节材料的粗糙度来提升有效接触面积是提高摩擦发电性能的有效手段。在这项研究中他们通过利用木材表面的纹理和改性来调节想要的粗糙度,最终有效提高了性能。

  在测试的轻木、云杉和红豆杉木中,径向切割的云杉效果最好。当用 50N 的力按压两个云杉木材样品,其中一个用 ZIF-8 改性,另一个用 PDMS 改性,在相对较小的力下可以产生最大 24.3V 的开路电压、和 0.32mA 的短路电流,并具备长达 1500 次的循环。

  该研究也证明了,通过 ZIF-8 和 PDMS 的功能化,可有效增强原始木材的摩擦电性能,使智能家居中自供电木地板有了初步的希望。

  他们发现,表面积略小于一张纸的木地板模型,可以产生足够的能量,来驱动家用 LED 灯和计算器等小型电子设备。当一个成年人走过时,他们成功地用模型点亮了一个灯泡,将走路产生的机械能变成了电。

  概括来说,该研究的重点是使用相对环保的方法,对木材进行改性以增强其摩擦发电的能力,其中由于云杉性价比高,更适合在工业级别上进行大规模应用。

  同时,此次新研发的纳米发电机,还保留了木材可用于室内设计的特性,包括其机械强度和天然的纹理色泽,非常适合应用于智能家居中。

  尽管在研究中使用的 PDMS 和 MOFs 等原料都不是特别便宜的材料,但是它的涂层很薄,只有几个微米。而发电机的主要材料是木材,它本身是一种可再生的材料,相对而言成本并没有特别高。

  谈及潜在的应用,孙建国表示这种会发电的木地板,也会面临木材遇到的一系列问题,比如腐朽变形等各方面的问题。屠坤坤也认为,本次研究主要是概念性的成果,虽然离实际运用还有一些距离,但她希望这篇论文能引起大家的关注并广泛的参与到这项研究当中。

  下一步他们打算使用更环保且更易于实施的方法进一步研究。最终目标是了解木材的潜力,超越已知的潜力并使木材具有新的特性,用于未来的可持续智能建筑。

  据介绍,屠坤坤在南京林业大学读的本科,硕士毕业于中国林业科学研究院,硕士毕业后通过国家留学基金委资助来到苏黎世联邦理工学院读博。她说自己多年来一直对木材很感兴趣,也一直学习的是木材相关专业,她认为未来木基功能化材料将渗透到生活各个方面。

  孙建国则本科就读于郑州大学材料系,主修材料成型与控制。硕士来到台湾清华大学继续就读材料系,主修纳米材料方向,后申请到全额奖学金,也来到苏黎世联邦理工学院读博。

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