微小能源采集——摩擦纳米发电机的制备及其性能研究

周奕彤 陈怡安 蔡梓涵 时语含

徐州市第一中学（夹河校区）2023级18班jp02g08摩擦纳米发电机小组，徐州

摘要：本实验旨在研究摩擦纳米发电机的性能，从摩擦电材料的种类、滚球数量、晃动频率三个方面对摩擦纳米发电机的输出特性进行研究，每个实验重复一次，每个变量重复三次。实验总共分为三个模块：第一个模块进行电子验电器的制作及常见材料的摩擦电序列探究，通过LED灯的明灭状态来显示材料的得失电子能力，结果表明越靠近常见材料的摩擦电序列表底部的材料越容易得到电子；第二个模块自制简易摩擦纳米发电机并测量产生材料相互摩擦后所的最大开路电压；第三个模块利用自制的球形摩擦纳米发电机探究三个因素对摩擦纳米发电机的输出特性进行实验，结果表明三个因素对所测得的开路电压大小均有一定影响。

关键词：摩擦纳米发电机；性能研究；开路电压

 

一、研究背景

正如习近平总书记所说，“创新，是推动发展的第一动力”。所以，当人们需要达到某个目标时，无一不需要创新的思维。创新是一个民族的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。中华民族自古以来就是一个富有创新精神和创新能力的民族，是勇于和善于创新的民族。

由此观之，我们小组了解到王中林院士带领7300名左右的科学大家早在许多年前就开始了对能源的探索，经过数次创新性的研究和科探，王中林院士等人提出了纳米摩擦发电机这一伟大发明创造。且这样的创新思维早在2012年1月就有论文发表了对纳米摩擦发电机的看法，距今已是第十一个年头了

目前，我国对于能源的利用现状并不理想。但是在习近平总书记的“碳中和，碳达峰”提倡下，领导全中国，甚至是全世界开始了节能减排的行动。但是想要解决排放和污染的问题不只是要“节约”这么简单，更要从根源上解决问题———解决碳的排放量，减少火力发电，以另一种更节约、更简便、更少污染、更少费用、更少损耗的能源。

而纳米摩擦发电机就是其中一个较好的选择。按照王中林院士在《中科院北京纳米能源与系统研究所学术报告》中所汇报的内容来讲：“摩擦发电是我们生活中、宇宙间最常见的，至少在地球上，是最常见的现象之一，而且分布在任何的……不管什么象，固象、液象、气象，都有接触起电”。

且目前的社会环境以及自然环境无不在告诉我们新能源的重要性。比如这几年间不断推出的“新能源汽车”就是减少碳排放的一个鲜明例子：在2023年8月31日，我国商务部发表言论将努力为外贸企业减负增活力。商务部新闻发言人束珏婷表示，近期，商务部将陆续出台提升加工贸易发展水平、促进新能源汽车贸易合作等专项政策措施，全力推动进出口促稳提质。

二、实验材料

万用表及表笔、100千欧电阻、MPF102场效应管、整流桥、面包板、公对母杜邦线、公对公杜邦线、鳄鱼夹导线、绿色发光二极管、电池9V、雪弗板、橡胶球、PVC薄膜胶带、吸管、透明塑料球壳、铜箔胶带、PET薄膜、PP薄膜、PE薄膜、PTFE膜、绝缘手套

 

三、研究过程

1.电子验电器的制备及常见材料的摩擦电序列探究

1.1实验材料

 

1.1实验步骤

1）将MPF102场效应管、发光二极管、100千欧电阻按如图所示插入面包板，并接入9V电池。

 

2）将雪弗板裁剪成宽5cm、长10cm的长方形块作为绝缘载体，将同样大小的待测材料粘贴在雪弗板上，并用笔在雪弗板的背面标记该材料的名称。

3）将不同的材料两两相互摩擦，将他们分别靠近100千欧电阻的自由引线，判断和比较两种不同材料的得失电子能力的差异。

 

 

1.2实验数据表格

被 测 材 料	摩擦基准材料
	PE	PP	PET	PTFE	纸	铜箔
PE	灯亮	灯亮	灯亮	灯亮	灯亮	灯亮
PP		灯亮	灯亮	灯亮	灯亮	灯亮
PET			灯亮	灯亮	灯亮	灯亮
PTFE				灯灭	灯灭	灯灭
纸					灯亮	灯亮
铜箔						灯灭

 

2.摩擦纳米发电机认知设计制作

2.1摩擦纳米发电机设计图

 

2.2实验材料

2.3实验步骤

1）将待测材料（PET薄膜、PP薄膜）裁剪成边长为5cm的正方形块。

2）用铜箔胶带粘贴导线顶部金属头和待测材料，尽量不留空隙。

3）将待测材料粘贴铜箔的一面与相同尺寸的雪弗板粘贴在一起，制作成如图所示的简易摩擦纳米发电机。

 

4）将表笔和摩擦纳米发电机用鳄鱼夹导线连接,将摩擦纳米发电机接到万用表上。

 

5）连接好后即可开始摩擦两种待测材料，测量开路电压的最大值。

3.探究不同摩擦电材料对球形摩擦纳米发电机输出性能的影响

3.1实验材料

 

3.2实验步骤

3.2.1球形摩擦纳米发电机的制备

1）将两根杜邦线一端外皮剥去约2-3cm，露出里面的金属丝，备用。将两半透明塑料球壳的底部分别钻一个小孔，孔径应大于杜邦线的线径。

2）将杜邦线的金属裸露端穿入塑料球壳的小孔，并用铜箔胶带固定在塑料球壳内，注意粘贴铜箔胶带时应尽量保持铜箔胶带表面平整，可借助直尺或刮板等工具使其较好地贴合在塑料球壳的内壁，确保裸露的金属丝与铜箔胶带接触良好。

 

3）用单层PVC胶带完全包裹弹力球，确保弹力球能在塑料球课内自由移动。将包裹好的弹力球装到塑料球壳内，将塑料球壳扣好。

3.2.2实验测试

1）将发光二极管、球形摩擦纳米发电机接到面包板上，为了较稳定的持续给发光二极管提供直流电，可在面包板上插整流桥。

2）来回摇晃塑料球壳，在摇晃一定次数后，在发光二极管上套上一小段黑色吸管，观察发光二极管的明灭状态。

 

3.2.3正式实验

1）控制滚球数量(3个)、晃动频率(BPM=120)相同，分别用不同的薄膜材料（PVC胶带、美纹纸胶带、透明胶带）包裹弹力球制作得到不同的球形摩擦纳米发电机。

 

2）将万用表调制电压档（最大量程200mV），测量不同材料包裹弹力球时球形摩擦纳米发电机输出的开路电压，比较不同材料包裹下的摩擦纳米发电机输出电压的差异，每种情况重复三次，记录万用表读数最大值并求得平均值。

 

4.探究不同滚球数量对摩擦纳米发电机输出特性的影响

4.1实验材料

同3.1

4.2实验步骤

1）按3.2.1制作球形摩擦纳米发电机

2）控制材料种类(PVC薄膜胶带)、晃动频率(BPM=120)相同，改变弹力球的数量，分别测量比较1个，2个，3个弹力球数量下的摩擦纳米发电机开路电压的差异，每种情况重复三次，记录万用表的电压读数最大值，求得开路电压平均值。

5.探究不同晃动频率对球形摩擦纳米发电机输出特性的影响

5.1实验材料

同3.1

5.2实验步骤

控制材料种类(PVC薄膜胶带)、滚球数量(3个)相同，改变晃动球形摩擦纳米发电机的频率，分别测量比较低频(BPM=60)、中频(BPM=120)、高频(BPM=180)晃动频率下摩擦纳米发电机开路电压的差异，每种情况重复三次，记录万用表的电压读数最大值，求得开路电压平均值。

四、结果与分析

1.实验数据表格

弹 力 球 数    量	开路电压/mV
	重复1	重复2	重复3	平均值
1个	0.5	0.6	0.7	0.6
2个	0.9	1.1	0.7	0.9
3个	1.2	2.4	2.7	2.1

薄 膜 材 料 类 型	开路电压/mV
	重复1	重复2	重复3	平均值
PVC胶带	1.4	5.6	3.5	3.5
美纹纸胶带	0.6	1.1	0.7	0.8
透明胶带	0.5	0.1	0.3	0.3

晃 动    频 率	开路电压/mV
	重复1	重复2	重复3	平均值
低频（1次/秒BPM=60）	0.5	0.6	1.0	0.7
中频(2次/秒BPM=120)	0.7	0.8	0.9	0.8
高频（3次/秒BPM=180）	0.7	1.1	1.5	1.1

2.实验结果、实验问题与反思

2.1电子验电器的制备及常见材料的摩擦电序列探究

在将待测材料两两相互摩擦后靠近电阻自由引线时，发光二极管多次熄灭且不会重新亮起；本次实验得出得结论为：PE薄膜材料最容易失去电子，PTFE薄膜材料最容易得到电子，而根据常见材料的摩擦电序列，纸是最容易得到电子的材料。本小组讨论后，猜测可能原因为出手汗而导致发光二极管发光不稳定和没有完全释放前一次实验中摩擦所产生的静电荷所导致。

2.2摩擦纳米发电机认知设计制作

在粘贴粘好铜箔胶带的待测材料和雪弗板时，因美纹纸胶带粘性不够而导致铜箔胶带与与其粘贴的杜邦线金属头接触不良；在连接万用表表笔和杜邦线另一端的金属时，误用绝缘胶带将两者粘合。在小组成员的提示下，改用鳄鱼夹导线的一端夹住表笔和杜邦线金属头，另一端夹在杜邦线另一端金属头与铜箔胶带贴合处，不仅解决了连接导线的问题，还使金属头与铜箔胶带接触更良好，使实验数据更加准确。本次实验得出的结论是；滑动式摩擦纳米发电机可输出的最大电压为10.6mV，独立层式摩擦纳米发电机可输出的最大电压为30.4V，独立层式摩擦纳米发电机的输出性能比滑动式摩擦纳米发电机的输出性能更加优良。猜测得到此结果的原因可能为独立层式摩擦纳米发电机的两个对称电极在背面，不存在静电荷屏蔽，从而大大提高了能量的转换效率。

2.3探究不同摩擦电材料对球形摩擦纳米发电机输出性能的影响

在用铜箔胶带将杜邦线一端裸露的金属丝粘贴在塑料球壳内部时，因金属丝直径太小而在剧烈晃动时容易断裂，铜箔胶带也因粘贴时有气泡容易破裂，且接触不良而导致输出电压不稳定。改进方法为将金属丝穿过铜箔胶带的裂缝，另取一小段铜箔胶带将金属丝粘贴在在铜箔胶带内侧，不仅避免了金属丝的断裂，而且使金属丝与铜箔胶带贴合更紧密，输出电压更加稳定，数据也更加真实可信。本次实验的结论为：PVC薄膜胶带包裹弹力球时，输出的开路电压最大。猜测得到此结果的原因可能为PVC薄膜材料更容易得到电子，使静电荷在其表面存留时间较长。

2.4探究不同滚球数量对球形摩擦纳米发电机输出性能的影响

滚球数量较少时，刚开始开路电压测量不明显；待球形摩擦纳米发电机输出电压稳定后，滚球数量为一个和两个测出的数据有误差，与实际情况不符；多次重复实验后误差较小，得到更准确的结果。本次实验的结论为：滚球数量为三个时，球形摩擦纳米发电机输出的开路电压最大。猜测得到此结果的原因可能为接触面积更大，产生的电荷数量更多。

2.5探究对球形摩擦纳米发电机输出性能的影响

晃动频率不同时，单次实验数据之间存在误差(见表格)，但平均数值不存在误差，本组如实记录实验数据。

 

五、结论

根据实验数据及分析可知，不同摩擦电材料、不同滚球数量、不同晃动频率对球形摩擦纳米发电机的输出性能均有一定的影响，且输出的开路电压与摩擦电材料得电子能力、滚球数量、晃动频率成正比关系。观看王中林院士对此研究的相关视频，我们也能发现，摩擦纳米发电机输出电压高、电流低，可以用来收集低质量的能源，本实验结论正与此相符。由此，我们进一步可知，因为摩擦纳米发电机的输出功率、密度高达每平方米500瓦以上，所以效率可达50%到80%以上。【1】由此观之，我们可以预测，摩擦纳米发电机在未来将会成为收集微小能源的主力军，为节约能源贡献力量。

 

六、参考文献

【1】出自王中林院士的《中科院北京纳米能源与系统研究所学术报告》

备注：本论文引言与参考文献资料为组员陈怡安所写，其余部分为组员周奕彤所写。