Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy phát điện ma sát nano dựa trên hai vật liệu Teflon và nhôm công nghiệp

32 Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 64(3) 3 2022 Mở đầu Nhu cầu của con người về năng lượng ngày càng cao trong khi trữ lượng năng lượng hóa thạch truyền thống ngày càng giảm và sẽ cạn kiệt trong tương.

Khoa học Kỹ thuật Công nghệ DOI: 10.31276/VJST.64(3).32-36 Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy phát điện ma sát nano dựa hai vật liệu Teflon nhôm công nghiệp Phan Hải1, 2*, Phan Nguyễn Hòa1, Hồ Anh Tâm2, Nguyễn Hữu Đức2, Phạm Đức Thắng1, Khoa Vật lý Kỹ thuật Công nghệ nano, Trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Phịng Thí nghiệm trọng điểm công nghệ Micro-Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Ngày nhận 6/9/2021; ngày chuyển phản biện 10/9/2021; ngày nhận phản biện 6/10/2021; ngày chấp nhận đăng 11/10/2021 Tóm tắt: Máy phát nano dựa hiệu ứng ma sát điện thiết bị có khả chuyển đổi lượng từ thành điện nhờ kết hợp tượng nhiễm điện cọ sát cảm ứng tĩnh điện Điều giúp mở trang cho lượng nhân tạo để tiến tới chế tạo nguồn lượng tích hợp cho thiết bị tự cấp nguồn, cảm biến chủ động hay chí phát triển mạng lưới lượng quy mô lớn Trong nghiên cứu này, tác giả chế tạo thử nghiệm thành công máy phát điện ma sát nano (Triboelectric nanogenerator - TENG) cấu hình tiếp xúc dọc sử dụng vật liệu Polytetrafluoroethylene (PTFE) nhôm công nghiệp Máy phát điện chế tạo sản sinh hiệu điện cường độ dòng điện tức thời tương ứng 145 V 8,5 µA Cơng suất tối đa đạt 510 µW lực tác động vng góc 11 N Từ khóa: chế độ tiếp xúc dọc, máy phát điện ma sát nano, nhôm, PTFE Chỉ số phân loại: 2.2 Mở đầu Nhu cầu người lượng ngày cao trữ lượng lượng hóa thạch truyền thống ngày giảm cạn kiệt tương lai không xa Để giải vấn đề này, nhiều công nghệ sản sinh lượng nhân tạo nghiên cứu áp dụng lượng thủy điện, nhiệt điện, sinh học, mặt trời lượng nguyên tử Mặc dù trình nghiên cứu ứng dụng lượng nhân tạo vào sống người tiến hành từ lâu, tỷ lệ đóng góp chúng vào tổng lượng tiêu thụ người khiêm tốn Chính vậy, việc phát triển cơng nghệ lượng nhân tạo có, đồng thời tìm kiếm cơng nghệ sản sinh/chuyển đổi lượng thách thức Máy phát điện sử dụng từ lâu, thiết bị biến đổi thành điện thông thường chúng hoạt động dựa nguyên lý cảm ứng điện từ Trong năm gần đây, khái niệm máy phát điện micro-nano đề cập đến công nghệ lượng nhân tạo đầy tiềm với khả biến đổi lượng cơ/nhiệt phát sinh từ thay đổi quy mô nhỏ mặt vật lý thành điện TENG số giải pháp bật đó, nghiên cứu xây dựng thành công năm 2012 Feng-Ru Fan cs (2012) [1] Hoạt động dựa hiệu ứng ma sát điện cảm ứng tĩnh điện, TENG nghiên cứu để áp dụng thu lượng từ sóng biển [2-4], gió [5-7], vận động thể người [8-11], chế tạo loại cảm biến chủ động [11-15]… cách hiệu * Trong nghiên cứu này, sử dụng vật liệu PTFE (Teflon) nhôm công nghiệp để chế tạo thử nghiệm TENG theo cấu hình tiếp xúc dọc Cấu trúc máy phát điện sản sinh hiệu điện 145 V cường độ dịng điện tức thời 8,5 µA lực tác động 23 N Thực nghiệm Chế tạo vật liệu ma sát điện có cấu trúc nano bề mặt Tín hiệu lối TENG dựa vào lượng điện tích tạo q trình ma sát chúng Lượng điện tích phụ thuộc vào diện tích cọ sát bề mặt hai lớp vật liệu Ở trạng thái ban đầu nhà sản xuất, bề mặt loại vật liệu có cấu trúc định kích thước khảo sát vài trăm micro trở xuống Tuy nhiên, kỹ thuật ăn mịn hóa/lý tạo nên cấu trúc kích cỡ micro-nano bề mặt vật liệu tương ứng, đó, diện tích tiếp xúc hai lớp vật liệu tăng lên đáng kể Khi đó, lượng điện tích phân cực sinh tượng cọ sát chúng tăng lên đáng kể Để phục vụ mục đích này, cơng nghệ ăn mịn Plasma (ICP-RIE) sử dụng để tiểu hình hóa bề mặt màng PTFE, cơng nghệ khắc laser công nghiệp dùng để tạo bề mặt micro nhơm Tiểu hình hóa bề mặt màng PTFE cơng nghệ ăn mịn Plasma ICP-RIE: màng PTFE chiều dày 100 µm (VIBASIA), diện tích 4,95 cm x 4,95 cm, rung siêu âm với Aceton vịng 10 phút Sau đó, PTFE tiếp tục rung siêu âm với Ethanol 10 phút Nước cất Tác giả liên hệ: Email: phanhaik53@gmail.com 64(3) 3.2022 32 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Investigation and fabrication triboelectric nanogenerator using commercial Polytetrafluoroethylene and Aluminum Hai Phan1, 2*, Nguyen Hoa Phan1, Anh Tam Ho2, Huu Duc Nguyen2, Duc Thang Pham1, Faculty of Engineering Physics and Nanotechnology, University of Engineering and Technology, Vietnam National University, Hanoi Key Laboratory for Micro and Nano Technology, University of Engineering and Technology, Vietnam National University, Hanoi Received September 2021; accepted 11 October 2021 Abstract: Triboelectric nanogenerator (TENG) is an energy technology that can convert mechanical energy into electricity based on the conjunction of triboelectric friction and electrostatic induction TENG possesses a high potential as an alternative artificial energy source to develop the integrated power source device, active sensor, or massive scale power source In this research, the vertical contact triboelectric nanogenerators using commercial grade Polytetrafluoroethylene (PTFE) and Aluminum were successfully fabricated It performs the output voltage and current of 145 V and 8.5 µA, respectively Moreover, the maximum power of 510 µW was observed at the external contact force of 11 N (Sputtering) Màng Teflon sau ăn mòn bề mặt phương pháp plasma làm theo quy trình nêu Lớp điện cực đồng phún lên mặt ngồi PTFE thơng số sau: lưu lượng dịng khí Ar 40 sccm, áp suất buồng hoạt động xấp xỉ 5x103 Torr, công suất phún 40 W 30 phút Xử lý bề mặt nhôm công nghệ khắc laser công nghiệp: chùm tia laser mang lượng lớn tạo nhiệt bề mặt tiếp xúc làm cho vật liệu nóng lên chảy đục lỗ vật liệu tùy vào lập trình xử lý cài đặt cho việc gia công Nhờ vậy, máy cắt laser cắt đường nét cách xác tinh xảo hẳn phương pháp gia công thủ công truyền thống tay máy tiện, máy cắt khắc Lá nhơm cơng nghiệp có chiều dày 200 µm sau làm quy trình nêu khắc theo cấu trúc lưới máy laser công nghiệp thông số tốc độ khắc 1000 mm/s, công suất 30 W tần số 20 KHz Lắp đặt TENG Màng Al PTFE sau tiểu hình hóa bề mặt sử dụng để lắp ráp TENG cấu hình Các điện cực nối với dây dẫn điện keo dẫn điện, sau chúng dính chặt lên miếng Arcrylic cho mặt tiểu hình hóa hướng vào Sau đó, lị xo đính góc để tạo cấu trúc đàn hồi với khoảng cách lớp vật liệu xấp xỉ mm Hình dạng thực tế thiết bị thể hình Keywords: Aluminum, contact separation mode, PTFE, triboelectric nanogenerator Classification number: 2.2 sử dụng để làm màng PTFE trước rung siêu âm dung dịch Isopropanol Màng PTFE sau làm giữ khơ điều kiện phịng, sau ăn mịn với thơng số thiết bị bảng Bảng Các thông số ăn mòn bề mặt PTFE CF4 Áp suất O2 (Torr) (sccm) (sccm) Ar Nguồn ICP (sccm) (W) Nguồn CCP (W) Thời gian ăn mòn (phút) 0,2 10 400 20 15 30 100 Chế tạo điện cực đồng: nhằm chế tạo lớp tụ có khả bắt tín hiệu điện theo tượng cảm ứng tĩnh điện lớp PTFE, vật liệu đồng (Cu) lựa chọn để làm lớp điện cực công nghệ chế tạo sử dụng phún xạ 64(3) 3.2022 Hình Quy trình lắp ráp hình ảnh TENG PTFE/Al lắp ráp thành công Khảo sát cấu trúc bề mặt vật liệu hiệu TENG Cấu trúc bề mặt vật liệu khảo sát kính hiển vi điện tử quét (Scanning electroscope microscopy - SEM) Jeol 6490 JED 2300 Tín hiệu đầu gồm có hiệu điện thế, cường độ dòng điện khảo sát giao động ký máy khuếch đại dòng SR 570 33 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Kết bàn luận Nguyên lý hoạt động Quá trình hoạt động TENG PTFE/Al biểu diễn hình Khi trạng thái ban đầu điện cực chưa xuất điện tích, ngoại lực tác động làm cho TENG bắt đầu hoạt động, điện cực tiếp xúc hồn tồn với nhau, điện tích xuất bề mặt Al PTFE trình ma sát điện Khi điện cực bắt đầu tách rời, hiệu điện xuất khoảng cách điện cực thiết lập, điện tích bắt đầu tách rời electron có xu hướng dịch chuyển từ điện cực Cu Al, lúc dịng điện xuất chạy từ điện cực Al xuống điện cực Cu Khi TENG trở trạng thái nguyên bản, hiệu điện tức thời đạt giá trị cực đại Tiếp tục nhấn TENG, khoảng cách điện cực giảm dần, dẫn tới hiệu điện tức thời giảm, điện điện cực Cu lớn điện Al, electron dẫn có xu hướng di chuyển từ điện cực Al Cu, tạo dòng điện ngược tức thời, giảm số lượng điện tích cảm ứng Khi Al PTFE tiếp xúc lại, điện tích cảm ứng trung hịa Hình (A B) thể cấu trúc bề mặt màng Al bị ăn mòn laser Như vậy, xử lý bể mặt phương pháp khắc laser cho thấy biến đổi rõ ràng bề mặt miếng nhôm Các rãnh ăn mịn có kích cỡ khoảng 30-50 µm Các chi tiết tiểu hình hóa xuất rõ ràng so với bề mặt nhơm khơng bị ăn mịn Từ hình (C D) nhận thấy, bề mặt miếng PTFE bị ăn mòn tạo thành cấu trúc dạng hạt khối có kích cỡ xấp xỉ 200 nm Độ nhấp nhô bề mặt thể ảnh SEM Hiệu điện cường độ dịng điện tức thời đồ thị hình 4A biểu hiệu điện sinh thiết bị ma sát nano Cu:PTFE/Al lực tác động N với tần số khảo sát Hz Từ đồ thị ta thấy rằng, q trình thực nghiệm kích hoạt ngoại lực tần số xác định, máy phát tạo hiệu điện với giá trị trung bình xấp xỉ 50 V Ở điều kiện khảo sát này, cường động dòng điện tức thời sinh xấp xỉ đạt µA (hình 4B) Hình Hiệu điện (A) cường độ dòng điện (B) sinh lực tác dụng N với tần số Hz Hình Nguyên lý hoạt động TENG Cu:PTFE/Al Cấu trúc bề mặt vật liệu PTFE Al Hình Ảnh SEM bề mặt (A) Nhơm trước ăn mịn laser; (B) Nhơm sau ăn mịn laser; (C) PTFE trước ăn mòn Plasma; (D) PTFE sau ăn mòn Plasma 64(3) 3.2022 Hiệu điện thế, dòng điện sinh TENG tác động ngoại lực khác Sự phụ thuộc tín hiệu đầu theo ngoại lực tác động nghiên cứu Hình biểu thị hiệu điện tương ứng với lực tác động xấp xỉ 5, 8, 11 23 N Qua đồ thị ta thấy, với lực tác động N, hiệu điện trung bình sinh xấp xỉ 50 V; với lực tác động N, hiệu điện trung bình sinh xấp xỉ 70 V; với lực tác động 11 N, hiệu điện trung bình sinh xấp xỉ 110 V; với lực tác động 23 N, hiệu điện trung bình sinh xấp xỉ 145 V Ta đưa kết luận rằng, tần số Hz với lực tác động mạnh máy phát điện sinh hiệu điện lớn Khảo sát dịng điện với lực tương ứng khác (hình 5B) cho thấy dòng điện sản sinh TENG lớn ngoại lực tác dụng lớn: với lực tác dụng N, dịng trung bình sinh xấp xỉ µA; với lực tác dụng N, dịng trung bình sinh xấp xỉ µA; với lực tác dụng 11 N, dịng trung bình sinh xấp xỉ 7,5 µA với lực 23 N, dịng trung bình sinh xấp xỉ 8,5 µA Điều giải thích ta tác động lực mạnh, diện tích tiếp xúc bề 34 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ mặt địa phương PTFE Al lớn, lúc điện tích trái dấu sinh bề mặt màng nhiều, dẫn tới việc hình thành điện lớn hai bề mặt tách xa có điện trở mạch, dẫn tới giá trị dòng điện bị suy hao dần điện trở có trở kháng lớn hiệu điện tăng lên Giá trị dòng điện hiệu điện tỷ lệ với Với giá trị hiệu điện dòng đo trình thực nghiệm, ta vẽ đồ thị ảnh hưởng điện trở đến giá trị lượng TENG Năng lượng TENG tính dựa theo cơng thức P=U.I Hình 6C thể giá trị lượng đo trình làm thực nghiệm Hình Hiệu điện (A) cường độ dòng điện (B) sinh lực tương ứng khác Khảo sát phụ thuộc tín hiệu đầu TENG với điện trở Nhằm thử nghiệm khả ứng dụng thực tế, tín hiệu đầu hiệu điện khảo sát với giá trị điện trở tăng dần mức ngoại lực tác dụng 11 N Nhìn vào kết thực nghiệm hình 6A ta thấy, với giá trị điện trở tăng dần (từ 100 đến 108 Ω), giá trị hiệu điện máy phát điện sản sinh tăng dần (từ đến xấp xỉ 150 V) Trong đó, kết hình 6B cho thấy, với giá trị điện trở tăng dần (từ 10 đến 108 Ω) dịng điện sinh mạch giảm dần (từ 6,7 xuống xấp xỉ 2,5 µA) Khi TENG hoạt động, điện tích sinh trình ma sát điện di chuyển mạch bị giữ lại hai đầu điện trở Nhìn vào đồ thị hình 6C ta thấy, giá trị lớn công suất mà máy phát điện sản sinh với ngoại lực tác động 11 N xấp xỉ 510 µW giá trị điện trở 107 Ω Sử dụng TENG để nạp tụ điện Trong q trình thực nghiệm, nhóm nghiên cứu tiến hành sử dụng TENG Cu:PTFE/Al nạp tụ điện (C=10 µF) với lực tác động 11 N tần số xấp xỉ Hz Hình thể kết trình nạp tụ điện Theo thời gian hoạt động tăng dần, TENG nạp cho tụ điện (C=10 µF) hiệu điện với giá trị tăng từ đến xấp xỉ 1,8 V thời gian 30 giây Hình Đồ thị thể giá trị điện áp nạp vào tụ điện theo thời gian Kết luận Hình Đồ thị thể phụ thuộc hiệu điện (A), cường độ dịng điện (B) cơng suất (C) vào giá trị điện trở 64(3) 3.2022 Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tiến hành xử lý bề mặt điện cực Cu, Al, bề mặt điện môi PTFE Sau xử lý bề mặt màng này, diện tích bề mặt tiếp xúc màng vật liệu gia tăng đáng kể, dẫn tới hiệu suất làm việc TENG Cu:PTFE/Al tốt Nghiên cứu tiến hành đo tín hiệu đầu TENG với ngoại lực tác động khác Hiệu điện lớn thu trình thực nghiệm xấp xỉ 145 V dòng điện lớn thu xấp xỉ 8,5 µA với lực tác động 23 N Cơng suất lớn thu kích thích hoạt động TENG với ngoại lực 11 N 510 µW TENG Cu:PTFE/Al sử dụng thành công để nạp tụ điện làm nguồn cung cấp 35 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ lượng cho đèn LED Việc chế tạo TENG Cu:PTFE/Al đơn giản, chi phí vật liệu không đắt so với máy phát điện thông thường hiệu suất thu lớn không so với mát phát điện thông thường Trong tương lai, TENG hướng nghiên cứu kỳ vọng cho phát triển ngành khoa học lượng LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ phần từ đề tài khoa học công nghệ cấp Đại học Quốc gia Hà Nội (mã số QG.19.21) Các tác giả xin trân trọng cảm ơn Triboelectric Nanogenerator Operating in Wide Wind Speed Range, Scientific Report [8] Hai Phan, et al (2017), “Aerodynamic and aeroelastic flutters driven triboelectric nanogenerators for harvesting broadband airflow energy”, Nano Energy, 33, pp.476-484 [9] Hai Phan, Phan Nguyen Hoa, Ho Anh Tam, Pham Duc Thang, Nguyen Huu Duc (2020), “Multi-directional triboelectric nanogenerator based on industrial Q-switched pulsed laser etched Aluminum film”, Extreme Mechanics Letters, 40, DOI: 10.1016/j eml.2020.100886 [1] Feng-Ru Fan, Zhong-Qun Tian, Zhong Lin Wang (2012), “Flexible triboelectric generator”, Nano Energy, 1(2), pp.328-334 [10] Xiangyu Chen, et al (2016), “Stimulating acrylic elastomers by a triboelectric nanogenerator - Toward self-powered electronic skin and artificial muscle”, Adv Func Mater., 26(27), DOI: 10.1002/ adfm.201600624 [2] Xiya Yang, Szeyan Chan, Lingyun Wang, Walid A Daoud (2018), “Water tank trioelectric nanogenerator for efficient harvesting of water wave energy over a broad frequency range”, Nano Eng., 44, pp.388-398 [11] Chuan He, et al (2017), “Smart floor with intergrated triboelectric nanogenerator as energy harvester and motion sensor”, ACS Appl Mater Interfaces., 9(31), pp.26126-26133 TÀI LIỆU THAM KHẢO [3] Hai Phan, Phan Nguyen Hoa, Ho Anh Tam, Pham Duc Thang (2021), “Q-switched pulsed laser direct writing of aluminum surface micro/nanostructure for triboelectric performance enhancement”, Journal of Science: Advanced Materials and Devices, 6(1), pp.84-91 [4] Tian Xiao Xiao, et al (2018), “Sillicone-Based triboelectric nanogenerator for water wave energy harvesting”, Appl Mater Interfaces., 10(4), pp.3616-3623 [12] Hengyu Guo, et al (2018), “A highly sensitive, self-powered triboelectric auditory sensor for social robotics and hearing aids”, Science Robotics, 3(20), DOI: 10.1126/scirobotics.aat2516 [13] Xiaoyi Meng, et al (2018), “Triboelectric nanogenerator as a highly sensitive self-powered sensor for driver behavior monitoring”, Nano Energy, 51, pp.721-727 [5] Bo Chen, Ya Yang, Zhong Lin Wang (2018), “Scavenging wind energy by triboelectric nanogenerators”, Adv Ener Mat., 8(10), DOI: 10.1002/aenm.201702649 [14] Zhiming Lin, et al (2017), “Triboelectric nanogenerator enabled body sensor network for self-powered human heart-rate monitoring”, ACS Nano, 11(9), DOI: 10.1021/acsnano.7b02975 [6] Myeong-Lok Seol, et al (2015), “Vertically stacked thin trielectric nanogenerator for wind energy harvesting”, Nano Energy, 14, pp.201-208 [15] Xing Fan, Jun Chen, Jin Yang, Peng Bai, Zhaoling Li, Zhong Lin Wang (2015), “Ultrathin, rollable, paper-based triboelectric nanogenerator for acoustic energy harvesting and self-powered sound recording”, ACS Nano, 9(4), pp.4236-4243 [7] Hyungseok Yong, et al (2016), Highly Reliable Wind-Rolling 64(3) 3.2022 36 ... 20 15 30 100 Chế tạo điện cực đồng: nhằm chế tạo lớp tụ có khả bắt tín hiệu điện theo tượng cảm ứng tĩnh điện lớp PTFE, vật liệu đồng (Cu) lựa chọn để làm lớp điện cực công nghệ chế tạo sử dụng... Torr, công suất phún 40 W 30 phút Xử lý bề mặt nhôm công nghệ khắc laser công nghiệp: chùm tia laser mang lượng lớn tạo nhiệt bề mặt tiếp xúc làm cho vật liệu nóng lên chảy đục lỗ vật liệu tùy vào... µA) Khi TENG hoạt động, điện tích sinh trình ma sát điện di chuyển mạch bị giữ lại hai đầu điện trở Nhìn vào đồ thị hình 6C ta thấy, giá trị lớn công suất mà máy phát điện sản sinh với ngoại