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KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶基柔性摩擦纳米发电机的制备及性能研究

申报人：程威聚 申报日期：2025-01-04

基本情况

2025年批次
KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶基柔性摩擦纳米发电机的制备及性能研究 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
水凝胶是一种具有高柔韧性、良好生物相容性和可调节性能的材料，在柔性电子器件领域具有广阔的应用前景。然而，单一的水凝胶往往存在导电性不足、机械性能较差等问题。KCu7S4 是一种具有良好导电性和稳定性的材料，将其掺杂到双网格导电水凝胶中，可以显著提高水凝胶的导电性和机械性能，为柔性摩擦纳米发电机的研发提供了理想的材料基础。
无
(1) 广西科技厅, 广西自然科学基金面上项目（联合资助培育项目）, 2018GXNSFAA138041, 电解液阳离子在K-Cu-Se通道/层状结构材料中的输运行为研究, 2018-07至2020-07, 10万元, 结题, 主持
指导教师具有丰富的超级电容器电极材料制备与电化学性能测试经验，实验室具备样品制备条件，可以支持本项目开展
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
程威聚 材料科学与工程学院 材料科学与工程 2023 数据分析与文献整理，记录项目进度
罗彩信 材料科学与工程学院 材料科学与工程 2023 国内外研究动态与发展分析
盘阳阳 材料科学与工程学院 材料科学与工程 2023 材料制备研发与组装
程世涛 材料科学与工程学院 材料科学与工程 2023 技术路线分析与预期成果展示

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
张开友 材料科学与工程学院 否

立项依据

随着新能源产业的快速发展，人们对高效、绿色、可持续的能源转换与收集技术的需求日益增长，可穿戴电子设备等领域发展迅速，对柔性、可拉伸、自供电且生物相容性好的能源器件需求迫切，该发电机的研究旨在将低频机械能转化为电能，实现环境中废能的有效利用，减少对传统化学能源的依赖，契合当下能源转型的大趋势，为能源可持续发展提供新思路，当代可穿戴电子设备、物联网设备等柔性电子技术蓬勃发展，对与之适配的柔性电源及自供电传感器提出了迫切需求。研究此发电机可开发出具有高柔韧性、可拉伸性、生物相容性等特点的能源供应装置，为柔性电子设备提供稳定、可靠的自供电解决方方案，推动其在健康监测、智能服装、人机交互等领域的应用。因传统纳米发电机输出功率较小，难以满足高功率设备需求，需通过提高转换效率、增加摩擦面积、优化电路设计等方法提高输出功率，KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶的应用，有望优化发电机电极材料的性能和结构，提高其导电性、机械性能和电荷传输效率，进而增强能量转换效率和输出功率，改善稳定性和耐用性，克服现有技术局限。水凝胶材料具有优异的性能可调性，在高导电、机械强韧性、自愈合以及极端环境适应性的柔性材料设计中彰显了独特的优势，而KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶更是结合了多种优良特性，为高性能柔性摩擦纳米发电机的研发提供了可能，本项目旨在探索KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶在摩擦纳米发电机中的工作原理，进一步拓展导电水凝胶材料的应用范围，为新型能源材料的研发和应用提供理论支持和实践经验。
1.KCu7S4纳米线的制备：
  首先，将0.684g CuCl2溶解在10mL超纯水中，搅拌5min，配置成氯化铜溶液；然后另取一烧杯依次加入硫粉0.32g，无水乙醇8mL，KOH 15g，超纯水30mL，搅拌10min；接着将配置好的氯化铜溶液全部倒入烧杯中，搅拌30min后倒入反应釜中，进行水热反应（180℃/24h），反应结束后，将得到的KCu7S4用去离子水和无水乙醇冲洗2~3次，烘干过夜。
2.KCu7S4掺杂双网络导电水凝胶的制备：
  首先，取烘干后的KCu7S4 0.3g溶于9.5mL去离子水中，搅拌20min，然后加入0.71g 丙烯酰胺，1.16g 丙烯酸羟2乙酯，3mg亚甲基双丙烯酰胺，0.15g羧甲基壳聚糖，搅拌10min后加入20uL四甲基乙二胺、45.6mg过硫酸铵诱发聚合反应，然后迅速倒入模具中成膜。
3.电极材料电化学性能测试：
  电化学性能测试是在三电极体系中进行，以制备的KCu7S4掺杂双网络导电水凝胶为工作电极，铂片电极为对电极，Hg/HgO电极为参比电极，采用2 M KOH水溶液作为电解液。分别进行恒定电流充放电测试、循环伏安测试和交流阻抗测试以及循环稳定性测试。
4.柔性摩擦发电机的组装及其性能测试：
  将制备好的KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶作为电极材料，用聚四氟乙烯（PTFE）作为合适的摩擦层材料和亚克力板作为支撑基底进行组合，构建KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶基TENG，确保各层之间的紧密接触和良好的电学连接。对组完成的柔性摩擦发电机进行电输出性能测试，着重关注器件的开路电压、短路电流、转移电荷量、循环稳定性等测试。
参考文献[1]薛永刚. KCu7S4及NiCo2O4@KCu7S4的原位制备与超级电容器性能研究[D]. 桂林理工大学. 2020.[2] Ting Xie, Fangyan Ou, Chuang Ning, Liang Tuo, Zhichao Zhang, Yi Gao, Wenyu Pan, Zequan Li, Wei Gao, Dual-Network Carboxymethyl Chitosan Conductive Hydrogels for Multifunctional Sensors and High-Performance Triboelectric Nanogenerators[J], Carbohydrate Polymers, 333 (2024) 121960. [3] 吴丽婷，徐燕，薛永刚，张开友，叶少波，于佳鑫，李慧豪，CuO/KCu7S4复合纳米材料的制备及其超级电容器性能，材料科学与工程学报，2021, 39(02): 282-287. [4] Leilei Zhao, Chenyu Fang, Binyu Qin, Xiya Yang, Peter Poechmueller, Conductive dual-network hydrogel-based multifunctional triboelectric nanogenerator for temperature and pressure distribution sensing[J]. Nano Energy 127 (2024) 109772.
随着全球经济的快速发展，能源危机的迫近和资源的枯竭，对高性能可再生能源存储设备的需求日益迫切。我国“十四五”国家重点研发计划“纳米前沿”重点专项中提出，开发用于收集水波能量的高性能纳米发电机的新材料和新结构，研制高输出功率和高效率的水波能摩擦纳米发电机网络，构建海上可移动自供电系统。“能源绿色低碳转型行动”指出，要构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统，推动清洁电力资源大范围优化配置，积极发展“新能源+储能”、源网荷储一体化和多能互补，支持分布式新能源合理配置储能系统，大力发展新能源，加快新型储能示范推广应用。在这个大背景之下，摩擦纳米发电机（TENG）通过将环境中机械能转化为电能，已成为一种很有前途的自供电系统解决方案。KCu7S4具有良好的电学性能，能有效传输和收集电荷，可提高摩擦纳米发电机的输出电流和功率，比如在接触分离过程中，其高导电性可使产生的电荷迅速传导至电极，形成电流。其特殊结构使材料在摩擦过程中更易发生电荷转移和分离，从而增强摩擦起电效应，提升发电机的能量转换效率。水凝胶基TENG目前面临着许多挑战，如工作效率偏低、环境适应性较差及使用寿命较短等，所以其在导电性能、环境适应性和自愈合性能等方面仍存在较大的优化空间[1]。Sun等人[2]利用明胶和PEDOT:PSS开发了一种聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶，采用2层胶黏剂聚氨酯（PU）胶带将PAM水凝胶进行封装，制备了一种高输出性能的水凝胶基TENG，其电流的输出主要源于PU胶带与外部硅胶的接触分离。Luo等人[3]将MXene引入到聚乙烯醇（PVA）/硼砂的网络中，并将其用Ecoflex进行包裹，成功研制出一种PVA水凝胶基TENG。当PVA水凝胶中掺杂4%的MXene时，TENG的开路电压达230 V，输出性能比未掺杂MXene的TENG提高了4倍以上[1]。S.G. Dai 等人[4]报道了经水热法合成的 KCu7S4微米线，并在中性电解液 LiCl（1 mol·L-1）中，证实了KCu7S4有类似半导体的带隙能：1.69-1.74 eV[5]。
参考文献：杨宇, 王洋, 刘国龙, 等. 导电水凝胶基摩擦纳米发电机的性能优化与应用研究进展[J]. 中国造纸, 2023, 42(05): 22-36.SUN H L, ZHAO Y, WANG C F, et al. Ultra-stretchable, durable and conductive hydrogel with hybrid double network as high performance strain sensor and stretchable triboelectric nanogenerator[J]. Nano Energy, 2020, 76: 105035 LUO X X, ZHU L P, WANG Y C, et al. A Flexible Multifunctional Triboelectric Nanogenerator Based on MXene/PVA Hydrogel[J]. Advanced Functional Materials, 2021, 31(38): 2104928 Dai S, Xi Y, Hu C, et al. KCu7S4 nanowires and the Mn/KCu7S4 nanostructure for solid-state supercapacitors[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1(48): 15530-15534.郭小龙. KCu7S4基复合及衍生微纳结构的制备与超级电容器性能研究[D]. 重庆大学, 2016.
本研究聚焦于KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶基柔性摩擦纳米发电机的制备及性能分析，该项目在新型掺杂材料应用、双网格导电结构设计、制备工艺创新以及跨学科研究等多个方面展现出了显著的创新点和项目特色。这些创新不仅为高性能柔性摩擦纳米发电机的制备提供了新的思路和方法，还进一步推动了绿色能源和环保技术的快速发展。本团队的研究巧妙结合了KCu7S4材料的独特性质、双网格导电水凝胶的优越导电性以及柔性摩擦纳米发电机的发电原理，该技术有望展现出独特的性能特点和广泛的应用前景。
（1）材料组成与特点
a)KCu7S4材料：
  KCu7S4是一种具有特殊结构和性能的化合物，具有优异的导电性、电化学性能等物理化学特性。在双网格导电水凝胶中掺杂KCu7S4，可进一步提升水凝胶的导电性能和稳定性。
b)双网格导电水凝胶：
  双网格导电水凝胶是一种由两种或多种不同聚合物链交织构成的导电材料，其独特的双重网络结构不仅赋予了水凝胶卓越的导电性、机械强度和稳定性，还有效防止了受力破裂，提升了耐用性。这种设计增强了导电性能和机械强度，同时优化了摩擦纳米发电机的稳定性和耐久性，促进了电荷的均匀分布与快速传输，进而提高了能量输出性能。
（2）工作原理与性能
a)工作原理：
  两种不同材料的表面相互接触并分离时，会发生摩擦起电效应，从而产生电荷。在柔性摩擦纳米发电机中，这种电荷的分离和移动可以产生电能。KCu7S4掺杂的双网格导电水凝胶作为电极，能够更有效地收集和传递电荷，从而提高发电机的输出性能。
b)性能优势：
  高导电性：KCu7S4的掺杂增强了水凝胶的导电性能，使得发电机能够产生更高的电流和电压。
  高机械强度：双网格结构赋予了水凝胶优异的机械性能，使其能够承受较大的形变而不破裂。
  高稳定性：KCu7S4和水凝胶的结合提高了材料的稳定性，使得发电机在长时间使用或恶劣环境下仍能保持良好的性能。
（3）应用领域
可穿戴设备：
  KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶基柔性摩擦纳米发电机具有轻薄、柔性和自供电的特点，非常适合用于可穿戴设备中，如智能手表、健康监测器等。
人机交互：
  该发电机可以作为人机交互界面的传感器，用于识别用户的触摸、滑动等动作，提高人机交互的准确性和灵敏度。
环境监测：
  利用该发电机的传感性能，可以实时监测环境参数，如温度、湿度、空气质量等，为环境保护和气候研究提供数据支持。
能量收集：
  该发电机还可以作为能量收集装置，将人体运动、机械振动等转化为电能，为小型电子设备供电。
（4）研究展望
  随着对KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶基柔性摩擦纳米发电机的深入研究，未来可能在该材料的制备工艺、性能优化以及应用领域等方面取得更多突破。例如，通过改进制备工艺，提高材料的均匀性和稳定性；通过优化结构设计，提高发电机的输出性能和耐用性；拓展应用领域，将该技术应用于更多领域，如智能交通、医疗监测等。
（1）本项目的技术路线如图1所示：图1 KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶TENG的制备技术路线图summernote-img
（2）拟解决的问题
①制备出KCu7S4纳米线阵列的结构以及形貌尺寸有差异，通过改变水热温度以及是否添加乙二醇来调节。
②KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶的能量密度低，通过调节KCu7S4和水凝胶的配比来改善。
③水凝胶的耐磨性可通过是否在表面添加润滑剂来调节。
（3）预期成果
本项目预期制备出一种KCu7S4掺杂的双网格导电水凝胶材料，并系统研究其电输出性能，整理实验数据，撰写完成一篇研究报告和发明专利。
2024年12月-2025年2月上旬：
查阅有关资料与文献，熟悉使用实验仪器设备。
2025年2月下旬-2025年3月上旬：确定项目内容，设计实验方案，论证实验可行性。购买实验药品及实验耗材。
2025年4月下旬：制备KCu7S4。2025年5月-2025年6月上旬：制备双网格导电水凝胶。
2025年6月下旬-2025年7月上旬：KCu7S4双网格导电水凝胶材料的电化学性能测试。
2025年7月-2025年8月：柔性摩擦发电机的组装及其性能测试。
2025年8月-2025年9月：反复实验并改进其中的不足之处，整理实验数据并对实验数据进行详细的分析，总结实验结果。
2025年10月-2025年11月：根据实验结果对项目实验进行全面分析，撰写专利或论文或研究报告。
与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
经过长达X年的技术沉淀与随后X年的集中攻关，项目团队历经数千次实验测试，成功构建了以材料制作新工艺、电极材料电化学性能测试以及电极材料电化学性能测试核心的三大技术体系。这一成果得到了X项发明专利和X篇学术论文的有力支撑，为项目的顺利推进奠定了坚实基础。根据项目具体要求，团队通过广泛的文献查阅，精心制定了研究方案，确保了对实验全过程的深入理解。团队成员不仅掌握了必备的实验技能，还具备出色的科研素质，能够迅速识别、分析和解决问题。此外，指导老师在纳米摩擦发电机领域拥有深厚的专业知识和丰富的指导经验，为项目的成功实施提供了有力保障。
已具备的条件包括：
  我们团队依托“有色金属及材料加工技术教育部重点实验室”和“广西光电材料与器件自治区重点实验室”等平台优势和技术优势，拥有重点实验室、材料博士点、博士后流动站、院士工作站等资源，以及完备的研发设备。实验室已配备制备KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶基-TENGs所需的分析天平、水浴锅、烘箱、干燥箱等设备；在材料结构与形貌表征方面，学校拥有扫描电子显微镜（SEM）、X-射线粉末衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X-射线光电子能谱（XPS）等大型仪器；电化学测试方面，实验室具备电化学工作站，足以完成所有电化学测试。
尚缺少的条件：
  尽管实验室已具备样品制备的基础条件，但项目团队在制备和测试KCu7S4掺杂双网格导电水凝胶及柔性摩擦纳米发电机的过程中，仍需特定的实验设备和材料，这些需额外申请或购买。同时，团队成员虽拥有一定的专业知识，但在该领域的直接研究经验尚显不足，需进一步学习和实践。此外，项目的实施还需一定的资金支持，涵盖实验材料费、设备购置费及测试费等各项开支。
解决方法：
  根据项目需求，团队将向学校或学院申请实验设备和材料，通过合作单位获取资源，加强文献查阅、学术研讨及向指导教师请教等方式积累研究经验，并申请学校创新创业项目资金，合理规划资金使用以保障项目顺

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 8000.00 业务费，材料费 3800.00 4200.00
1. 业务费 5000.00 计算，分析，测试 2000.00 3000.00
（1）计算、分析、测试费 3000.00 电极材料形貌结构表征 2000.00 1000.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 2000.00 论文出版面费 0.00 2000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 3000.00 购买原材料以及所需试剂 1800.00 1200.00
结束

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