基於電紡納米纖維基膜的IPMC高效俘能機制與調控

《基於電紡納米纖維基膜的IPMC高效俘能機制與調控》是依託廈門大學，由趙揚擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於電紡納米纖維基膜的IPMC高效俘能機制與調控
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：趙揚
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

離子聚合物金屬複合物（IPMC）由於對低頻振源、離子溶液環境的俘能具有特別優勢，在生物、海洋感測儀器方面具有潛在的套用價值。提高IPMC俘能效率是當務之急。項目圍繞制約IPMC俘能的兩大決定因素——離子富集率與傳導率，提出採用靜電紡絲技術製作IPMC基膜，通過調控其微觀結構，同時提升離子富集率和離子傳導率。項目研究納米纖維基膜微觀固液界面特性，揭示IPMC納米纖維基膜的離子富集機制，探明基膜微納尺度互聯通道流體輸運機理。分析IPMC基膜在外載荷作用下的離子傳導行為，研究俘能效率，闡明離子富集與傳導對俘能功率的提升機制和規律，調和離子富集與傳導間矛盾。構建電紡納米纖維IPMC基膜微結構製造的調控策略，掌握微觀結構對IPMC離子富集、傳導的作用規律，最佳化基膜製作工藝。設計典型套用IPMC俘能器件，探究外載形式對器件俘能的貢獻。為柔性聚合物智慧型結構俘能的工程套用奠定理論和技術基礎。

結題摘要

離子聚合物金屬複合物（IPMC）對低頻振源、離子溶液環境的能量收集具有特別優勢，提升IPMC俘能效率將會極大地推進IPMC在生物、海洋環境中的微器件供能和感測方面的套用。項目圍繞制約IPMC俘能的關鍵因素——離子富集率與傳導率，提出採用靜電紡絲技術製作IPMC基膜，通過研究纖維基膜特性，同時提升離子富集率和離子傳導率。項目通過理論分析，研究IPMC基膜固液界面特性，探討了納米纖維基膜離子傳導模型。設計搭建了納米纖維電紡基膜的電紡成膜系統，探究了Nafion溶液的可紡性以及摻雜PEO的Nafion溶液的電紡沉積行為，研究了Nafion溶液的電紡工藝規律，確定了最佳化的溶液配比以及最佳化的啟動電壓、紡絲電壓、供液速度、滾筒轉速等電紡工藝參數。針對電紡基膜的特性及機電傳導特性進行了研究，對比分析了納米纖維基膜與商業Nafion基膜之間吸水率、離子交換律及離子電導率之間的差異。設計了納米纖維基膜機電傳導特性測試結構，並針對不同厚度的纖維基膜進行了機電傳導特性的測試與分析，測得的開路電壓接近100mv，同時還實驗測試了不同載荷、電極、離子條件下的電學輸出。設計並製備了3D彈性PDMS-Nafion器件，採用化學鍍的方式製備了電極。詳細研究了器件的製備工藝，基於NI儀器開發了能量收集的測試系統，進行了指壓測試、正反接驗證測試、激振器施壓測試，獲得了器件的電能輸出規律，負載功率特性及功率密度。當負載的阻值為10kΩ時，測得平均功率密度最大為Pag=47.927μW/kg，比傳統IPMC提高了約1-2個數量級。項目完成了預期的研究目標和成果指標。通過本項目的研究，獲得了納米纖維基膜的離子富集與傳導規律，外力載荷作用下電學輸出規律，提出了基於納米纖維基膜IPMC俘能器的設計方法和製備技術，掌握了基於納米纖維基膜的IPMC的機電換能規律及方法。為柔性聚合物智慧型材料的俘能工程套用奠定了理論和技術基礎。