濕氣發(fā)電,是近幾年來新興的研究領(lǐng)域。目前濕氣發(fā)電主要利用碳納米材料,由于其宏量制備難度較大、成本較高和復(fù)雜的器件及孔道結(jié)構(gòu)等原因影響了其大規(guī)模應(yīng)用。生物高分子材料一般具有儲量大、可降解、可再生和生物相容好等優(yōu)點(diǎn),而且生物質(zhì)高分子鏈上分布著豐富的極性基團(tuán),具有良好的空氣吸濕效果和優(yōu)異的離子傳輸能力,這有望模擬生物過程并用于濕氣發(fā)電。因此,本文以纖維素納米纖維和蠶絲納米纖維兩種生物質(zhì)材料為主要研究基質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先,研究了兩種納米纖維構(gòu)筑而成的生物質(zhì)納米發(fā)電機(jī)在濕氣發(fā)電方面的性能。通過簡便的冷凍澆鑄法,由具有相反電荷的蠶絲和纖維素納米生物纖維分別制備并構(gòu)筑成兩種異質(zhì)納米離子氣凝膠。當(dāng)暴露于濕氣中時,這些納米原纖維可通過捕獲水分子而水合,從而模擬帶電的納米通道進(jìn)行離子傳輸,并且具有很好的吸濕性(>1g·g^-1),在纖維表面可形成一層水膜,兩種纖維表面基團(tuán)解離而帶不同種電荷。解離的自由離子荷電性質(zhì)也相反,它們沿纖維表面水層相向擴(kuò)散、中和,兩層纖維之間會產(chǎn)生電壓（電流）,除去濕氣后纖維表面狀態(tài)可恢復(fù)原狀。這種生物基濕氣發(fā)電器件具有簡單、有效、可再生和可生物降解等優(yōu)... 

【文章來源】：青島大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：71 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

纖維素的分子結(jié)構(gòu)

青島大學(xué)碩士學(xué)位論文5纖維素是由10000-15000個單一的葡萄糖單元聚合而成的。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是木材中的纖維素，通過衍生加工為納米纖維材料。如圖1.2[9]所示，顯示了大小從毫米到納米的木材衍生產(chǎn)品的圖像。大多數(shù)生產(chǎn)這些材料的過程都始于木屑的制漿（圖1.2a），以去除木質(zhì)素并釋放完整的纖維細(xì)胞（圖1.2b）。在目前，最常見的工業(yè)制漿方法是牛皮紙制漿，其采用堿性熱化學(xué)條件從木質(zhì)組織中提取木質(zhì)素以促進(jìn)其纖維化，然后可以對木漿進(jìn)行額外的化學(xué)和機(jī)械處理，以生產(chǎn)纖維素微原纖維（圖1.2c）。纖維素纖維的受控水解可用于生產(chǎn)另一類纖維素納米材料，稱為纖維素納米晶體（圖1.2d）。大范圍的氫鍵使得纖維素具有優(yōu)良的機(jī)械性能，其理論楊氏模量高達(dá)250GPa。如表1.2所示，與其他生物材料相比纖維素性能優(yōu)越，豐富的來源和高力學(xué)性能使得纖維素成為幾千年人類文明發(fā)展的重要材料[3]表1.2其他高性能生物材料和纖維素力學(xué)性能對比[3]E（MPa）σf（MPa）εf纖維素150000180.024膠原蛋白纖維100050-1000.09蠶絲（家蠶）7600蜘蛛絲（鞭狀腺絲、大壺狀腺絲）1000011000.18木材（橡木）10000100淀粉樣蛋白121011.50.0095殼聚糖/碳酸鈣18000630.0038纖維素是具有高度有序的結(jié)構(gòu)層次，分為結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)。天然纖維素是單斜晶體結(jié)構(gòu)。純纖維素在自然界中無法找到，棉花是纖維素含量最高的天然生物質(zhì)材料。大多數(shù)含有纖維素的材料（如：木材、秸稈和禾草等），基本都是含有半纖維素、木質(zhì)素和其他物質(zhì)，不同種類的木材所含成分中纖維素約為40-55%、木質(zhì)素15-35%和半纖維素25-40%[9]。圖1.2自然界中木材衍生為納米纖維材料[9]納米纖維素來源于天然纖維素，是一種新型的高分子材料，具有抵抗形變能力高、比表面積大、高長

青島大學(xué)碩士學(xué)位論文6能使納米纖維素具有很廣闊的應(yīng)用前景[10]。纖維素納米纖維平均直徑在1~50nm之間，力學(xué)性能優(yōu)越，強(qiáng)度是鋼材的8倍。因此，纖維素納米纖維用途廣泛，涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)以及軍事、生物醫(yī)藥和科研等各個領(lǐng)域。按照材料的來源、制備和纖維的形態(tài)，納米纖維素一般可分為纖維素納米纖維、纖維素納米晶體、細(xì)菌合成納米纖維和靜電紡絲納米纖維4類（圖1.3[11]）。圖1.3不同類別納米纖維素SEM圖片[11]1.1.2.2蠶絲和蠶絲納米纖維蠶絲是由絲素蛋白(Fibroin)和絲膠蛋白(Sericin)兩部分構(gòu)成,絲素蛋白是蠶絲中主要的組成部分,約占重量的70%[12]。蠶絲蛋白種類繁多，應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬桑蠶絲（Bombyxmori），其具有獨(dú)特的氨基序列和超分子結(jié)構(gòu)。首先，蠶絲蛋白分子含有18種氨基酸，其中主要由甘氨酸（G，43%）、絲氨酸（S，12%）、丙氨酸（A，30%）和酪氨酸（Y，5%）四個氨基殘基組成（圖1.4）[13]，并以GAGAGS方式排列成結(jié)晶區(qū)[14,15]，其他氨基酸則主要存在于無定形區(qū)域。蠶絲蛋白由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以及具有優(yōu)異的生物兼容性、生物可降解性和良好的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于功能性材料的制備[16]。蠶絲蛋白用途廣泛，主要應(yīng)用于生物材料（酶的固定化載體、生物傳感器和組織工程支撐材料）以及生物醫(yī)學(xué)材料（人工組織或器官、抗凝血劑、化妝品和藥物控釋材料）。如圖1.5，天然蠶絲纖維“自上而下”地剝離出蠶絲納米纖維是一種常

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]納米纖維素儲能研究進(jìn)展[J]. 卿彥,易佳楠,吳義強(qiáng),吳清林,張振,李蕾.  林業(yè)科學(xué). 2018(03)
[2]蠶絲蛋白的結(jié)構(gòu)和功能[J]. 劉永成,邵正中,孫玉宇,于同隱.  高分子通報. 1998(03)



本文編號：3569874