Nghiên cứu và chế tạo vật liệu cấu trúc xốp 3d từ blend của poly(ethylene glycol) và poly(methyl methacrylate) ứng dụng cho máy phát điện nano ma sát

Đề tài nghiên cứu và chế tạo vật liệu xốp 3D từ blend của polymethyl methacrylate và polyethylene glycol được gia cường bởi điện cực lưới đồng PEG/PMMA@Cu mesh hybrid bằng phương pháp ph

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ NGUYỄN QUỲNH NHƯ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU CẤU TRÚC XỐP 3D

TỪ BLEND CỦA POLY(ETHYLENE GLYCOL) VÀ

POLY(METHYL METHACRYLATE) ỨNG DỤNG CHO MÁY

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Bùi Văn Tiến

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS La Thị Thái Hà

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS TS Nguyễn Đình Thành

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 29 tháng 12 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Huỳnh Đại Phú – Chủ tịch Hội đồng

2 TS La Thị Thái Hà – Phản biện 1

3 PGS TS Nguyễn Đình Thành – Phản biện 2

4 PGS TS Hà Thúc Chí Nhân – Ủy viên

5 TS Phan Quốc Phú – Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

PGS TS Huỳnh Đại Phú PGS TS Huỳnh Đại Phú

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Võ Nguyễn Quỳnh Như MSHV : 1970664

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU CẤU TRÚC XỐP 3D TỪ BLEND CỦA POLY(ETHYLENE GLYCOL) VÀ POLY(METHYL METHACRYLATE) ỨNG DỤNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN NANO MA SÁT

(Fabrication of Poly(ethylene glycol) – Poly(methyl methacrylate) Blend with like Porous Structure for High Performance Triboelectric Nanogenerator)

Spongy-II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chế tạo thành công màng blend cấu trúc xốp sponge từ PMMA và PEG Thiết kế, chế tạo và đánh giá khả năng phát điện của thiết bị TENG dựa trên vật liệu cấu trúc xốp đã chế tạo Đồng thời, ứng dụng thiết bị TENG cấp nguồn cho các thiết bị điện tử công suất nhỏ và cảm biến tự cấp nguồn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS BÙI VĂN TIẾN

Tp HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

PGS TS Huỳnh Đại Phú

LỜI CẢM ƠN

Kính thưa Quý Thầy Cô!

Luận văn tốt nghiệp chuyên ngành Vật liệu Polyme với đề tài : “NGHIÊN CỨU

VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU CẤU TRÚC XỐP 3D TỪ BLEND CỦA POLY(ETHYLENE GLYCOL) VÀ POLY(METHYL METHACRYLATE) ỨNG DỤNG CHO MÁY PHÁT ĐIỆN NANO MA SÁT” đã được hoàn thành nhờ vào những kiến thức, kỹ năng tích luỹ được dưới sự hướng dẫn và hỗ trợ của Thầy Cô, anh chị, bạn

bè tại trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM Em xin phép gửi tới mọi người lời cảm ơn chân thành nhất

Em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Công Nghệ Vật Liệu đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian học tập Đó chính là nền tảng vững chắc để giúp em thực hiện đề tài nghiên cứu này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự biết ơn sâu sắc đến TS Bùi Văn Tiến, người Thầy đã đồng hành và hướng dẫn em hoàn thiện luận văn này Không chỉ hỗ trợ

và tạo điều kiện về cơ sở vật chất thực nghiệm, Thầy còn chia sẻ những kiến thức và kinh nghiệm quý báu của mình về các lĩnh vực liên quan để em có thể hình dung và thực hiện đề tài nghiên cứu một cách tốt nhất

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến bạn Lê Thị Thu Hà, các anh chị em/ bạn bè trong nhóm nghiên cứu NaINM Lab và các anh chị trong khoa Công Nghệ Vật Liệu đã hỗ trợ

em rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và triển khai thực nghiệm, đồng thời đã cho em thêm nhiều động lực và niềm vui để kiên trì hoàn thành mục tiêu của mình

Cuối cùng, mặc dù đã cố gắng hoàn thành đề tài tốt nhất có thể, nhưng do kiến thức và kỹ năng còn có nhiều hạn chế, luận văn này của em sẽ không tránh khỏi những sai sót Em rất mong sẽ nhận được những nhận xét, góp ý và tận tình chỉ bảo từ Quý Thầy Cô để có thể chỉnh sửa hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện:

Võ Nguyễn Quỳnh Như

TÓM TẮT

Năng lượng tái tạo đang ngày càng được quan tâm trên toàn thế giới do những lo ngại về việc cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, ô nhiễm môi trường và khủng hoảng năng lượng Máy phát điện nano ma sát (TENG) được biết đến như là một trong những công nghệ tiềm năng giúp chuyển hóa năng lượng cơ học thành năng lượng điện, được

kỳ vọng sẽ là một giải pháp cung cấp năng lượng xanh mới thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống TENG có các ưu điểm như chế tạo đơn giản, đa dạng trong lựa chọn vật liệu chế tạo, linh hoạt khi sử dụng Tuy nhiên, vấn đề về hiệu quả phát điện đầu ra cũng như khả năng tương thích sinh học của TENG cần tiếp tục được nghiên cứu, cải thiện để có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của TENG trong thực tế, đặc biệt là trong lĩnh vực theo dõi và chăm sóc sức khỏe Đề tài nghiên cứu và chế tạo vật liệu xốp 3D từ blend của poly(methyl methacrylate) và poly(ethylene glycol) được gia cường bởi điện cực lưới đồng (PEG/PMMA@Cu mesh hybrid) bằng phương pháp phân pha do dung môi bay hơi, ứng dụng làm vật liệu ma sát điện tích hợp với điện cực dùng trong chế tạo TENG Cấu trúc xốp của vật liệu ma sát có thể điều khiển được bằng cách thay đổi nồng

độ dung dịch polyme, tỷ lệ PEG/PMMA và khối lượng phân tử (Mw) của PEG Bên cạnh

đó, PEG - một polyme ưa nước sẽ có xu hướng bao phủ bên ngoài vật liệu PMMA giúp tăng cường hiệu quả ma sát điện, tính tương thích sinh học và khả năng thoáng khí thoát

mồ hôi của vật liệu khi ứng dụng cho TENG trong các thiết bị theo dõi và chăm sóc sức khỏe di động có thể đeo được Thiết bị TENG sử dụng vật liệu lai PEG/PMMA@Cu mesh đóng vai trò là vật liệu ma sát điện dương và vật liệu PDMS với bề mặt có cấu

trúc lồi (convex-PDMS) đóng vai trò là vật liệu ma sát điện âm có thể tạo ra mật độ công

suất phát điện là 1.00 mW/cm2, cao gấp 8 lần so với khi sử dụng màng phẳng PMMA,

tương ứng với điện thế VOC lên đến 292 V và cường độ dòng điện ISC lên đến 94 A Quan trọng hơn, thiết bị TENG đa chức năng được phát triển trong nghiên cứu này đã thể hiện được tiềm năng ứng dụng cao trong việc cấp nguồn cho các thiết bị điện tử di động công suất nhỏ, các cảm biến theo dõi sức khỏe, đồng thời còn có khả năng chắn sóng điện từ, giúp hạn chế các tác hại của bức xạ điện từ đến môi trường và sức khỏe con người

ABSTRACT

Renewable energy is growing in interest worldwide due to concerns about the depletion of fossil fuels, environmental pollution and the energy crisis Triboelectric Nanogenerator (TENG) is known as one of the potential technologies to help convert mechanical energy into electrical energy, which is expected to be a new green energy supply alternative to traditional energy sources TENG has advantages such as simple manufacturing, diversity in the selection of fabrication materials, flexibility in use However, the issue of output power generation efficiency as well as biocompatibility of TENG needs to continue to be researched and improved to be able to expand the scope

of TENG's application in practice, especially in the field of monitoring and health care Research and fabrication of 3D porous materials from blends of poly(methyl methacrylate) and poly(ethylene glycol) reinforced by copper mesh electrode (PEG/PMMA@Cu mesh hybrid) by Solvent Evaporation Induced Phase Separation, application as an electrical friction material integrated with electrodes used in TENG fabrication The porous structure of the friction material is controllable by varying the

polymer solution concentration, PEG/PMMA ratio and molecular weight (MW) of PEG

In addition, PEG - a hydrophilic polymer that will tend to cover the outside of the PMMA material - enhances the material's electrical friction efficiency, biocompatibility, and sweat-retention breathability when applied to TENG in wearable mobile health care and monitoring devices TENG equipment using PEG/PMMA@Cu mesh hybrid material serves as a positive electrical friction material and PDMS material with convex structure surface (convex-PDMS) serves as a negative electrical friction material that can produce a power density of 1.00 mW/cm2, 8 times higher than when using PMMA

flat film, corresponding to a VOC voltage of up to 292 V and an ISC current intensity of

up to 94 A More importantly, the multifunctional TENG device developed in this study has shown high potential for application in powering small-capacity mobile electronics, health monitoring sensors, and also has the ability to block electromagnetic waves, helping to limit the harmful effects of electromagnetic radiation on the environment and human health

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình luận văn của riêng bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận được trình bày trong luận văn này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo rõ ràng và đúng quy định

Tác giả luận văn

Võ Nguyễn Quỳnh Như

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xv

TỪ VIẾT TẮT VÀ Ý NGHĨA xvi

KÝ HIỆU TOÁN HỌC, ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ xvii

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 3

1.2 Đề xuất nghiên cứu 6

1.2.1 Tính cấp thiết của nghiên cứu 6

1.2.2 Tính mới và mức độ tác động của nghiên cứu 7

1.2.3 Tính khả thi của nghiên cứu 7

1.3 Mục tiêu đề tài 8

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 8

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Máy phát điện nano ma sát 11

2.1.1 Giới thiệu 11

2.1.2 Các chế độ hoạt động của TENG 12

2.1.3 Các phương pháp cải thiện hiệu quả đầu ra của TENG 17

2.1.4 Lựa chọn vật liệu sử dụng trong chế tạo TENG 20

2.2 Vật liệu polyme xốp (Porous Polymer Material) 27

2.2.1 Giới thiệu về vật liệu polyme xốp 27

2.2.2 Ứng dụng vật liệu polyme xốp vào chế tạo TENG 29

2.2.3 Chế tạo màng xốp bằng phương pháp phân pha 30

2.2.4 Phương pháp phân pha gây ra do dung môi bay hơi (SIPS) 34

Chương 3: THỰC NGHIỆM 37

3.1 Hoá chất, nguyên liệu, thiết bị 37

3.1.1 Hoá chất, nguyên liệu 37

3.1.2 Thiết bị 38

3.2 Quy trình thực nghiệm 39

3.2.1 Chế tạo vật liệu cấu trúc xốp PEG/PMMA trên lưới đồng nanowire woven mesh – PEG/PMMA@Cu mesh 39

3.2.2 Chế tạo vật liệu PDMS cấu trúc lồi (convex-PDMS) 40

3.2.3 Chế tạo máy phát điện nano ma sát – TENG 41

3.3 Phương pháp đo và phân tích 41

3.3.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 41

3.3.2 Đo tính chất điện 42

3.3.3 Hệ thống quang phổ hồng ngoại FTIR 42

3.3.4 Đo mức độ phản xạ bức xạ điện từ 42

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

4.1 Chế tạo màng xốp blend PEG/PMMA 44

4.1.1 Cấu tạo của màng xốp blend PEG/PMMA 44

4.1.2 Cấu trúc của màng xốp blend PEG/PMMA 46

4.1.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến cấu trúc xốp 48

4.1.2.2 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử Mw của PEG đến cấu trúc xốp 50

4.1.2.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ PMMA:PEG đến cấu trúc xốp 55

4.1.2.4 Điều khiển cấu trúc màng xốp PEG/PMMA 59

4.2 Chế tạo màng convex-PDMS 60

4.3 Chế tạo máy phát điện nano ma sát dựa trên màng xốp blend PEG/PMMA 61

4.3.1 Cơ chế hoạt động 61

4.3.2 Khảo sát khả năng phát điện của màng xốp blend PEG/PMMA 63

4.3.2.1 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử Mw của PEG đến khả năng phát điện của màng xốp blend PEG/PMMA 63

4.3.2.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ PMMA:PEG đến khả năng phát điện của màng xốp blend PEG/PMMA 66

4.3.2.3 Ảnh hưởng của cấu trúc bề mặt xốp đến khả năng phát điện của màng xốp blend PEG/PMMA 69

4.3.2.4 Ảnh hưởng của tần số đến khả năng phát điện của màng xốp blend PEG/PMMA 70

4.3.2.5 Ảnh hưởng của độ ẩm đến khả năng phát điện của màng xốp blend PEG/PMMA 71

4.3.3 Hiệu quả phát điện và độ bền của thiết bị TENG 73

4.3.3.1 Hiệu quả phát điện của thiết bị TENG 73

4.3.3.2 Độ bền của thiết bị TENG 75

4.4 Ứng dụng máy phát điện nano ma sát dựa trên màng xốp blend PEG/PMMA 77 4.4.1 Ứng dụng cấp nguồn cho các thiết bị điện tử công suất nhỏ 77

4.4.2 Ứng dụng cảm biến tự cấp nguồn 80

4.4.3 Ứng dụng chắn sóng điện từ (EMI Shielding) 86

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

5.1 Kết luận 89

5.2 Kiến nghị 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 97

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 102

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Số lượng các bài báo nghiên cứu có liên quan đến TENG (A) và các trích dẫn (B) mỗi năm trong giai đoạn 2012 – 2020 3Hình 2.1: Tóm tắt bốn lĩnh vực ứng dụng chính của TENG và một số các sáng chế liên quan 11Hình 2.2: Bốn chế độ hoạt động của TENG: (a) Chế độ tiếp xúc – tách rời; (b) Chế độ trượt ngang; (c) Chế độ điện cực đơn; (d) Chế độ điện cực tự do 12Hình 2.3: Minh họa nguyên lý hoạt động của chế độ tiếp xúc – tách rời [19] 14Hình 2.4: Minh họa giá trị các thông số điện quan trọng trong TENG: (a) Điện áp hở mạch VOC, (b) Cường độ dòng điện ngắn mạch ISC, (c) Điện tích hiệu dụng 16Hình 2.5: Các phương pháp gia tăng mật độ điện tích ma sát điện [18] 17Hình 2.6: (A,B) Sơ đồ minh họa cấu trúc xốp nano hình thành trong quy trình tổ hợp siêu phân tử, (C,D) Đồ thị thể hiện hiệu quả phát điện của TENG đối với mỗi tỉ lệ khối lượng của APEO khác nhau [24] 19Hình 2.7: Chuỗi điện ma sát của một số loại vật liệu [26] 21Hình 2.8: Tỷ lệ lựa chọn vật liệu ma sát điện âm (Electron Acceptors) trong số 100 nghiên cứu khoa học bất kỳ có liên quan đến TENG trong giai đoạn 2012-2020 [21] 22Hình 2.9: Hiệu quả phát điện của TENG sử dụng flat-PDMS và convex-PDMS được thể hiện qua các thông số: (a) Điện thế đầu ra mạch hở, (b) Mật độ dòng điện ngắn mạch, (c) Mối quan hệ điện thế và cường độ dòng điện với các giá trị trở khác nhau, (d) Mật

độ công suất tức thời [28] 23Hình 2.10: Chuỗi điện ma sát của một số loại vật liệu [35] 25Hình 2.11: Cấu trúc và sự phân bố điện tích trong thiết bị TENG hoạt động theo chế độ tiếp xúc – tách rời [36] 26Hình 2.12: Phân loại vật liệu polyme xốp dựa trên nguồn gốc và kích thước lỗ xốp [38] 28Hình 2.13: Ảnh SEM ví dụ của một loại polyme có cấu trúc xốp nano liên tục [42] 30Hình 2.14: Giản đồ pha của dung dịch polyme [44] 32Hình 2.15: Tổng quan các kỹ thuật phân pha [44] 33Hình 2.16: Quá trình hình thành cấu trúc xốp bằng phương pháp SIPS [45] 34

Hình 2.17: Giản đồ pha của hệ polyme/ dung môi/ phi dung môi [45] 35

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu xốp của blend PEG/ PMMA@Cu mesh 39

Hình 3.2: Minh họa quy trình chế tạo vật liệu xốp của blend PEG/ PMMA@Cu mesh 39

Hình 3.3: Minh họa quy trình chế tạo convex-PDMS 40

Hình 3.4: Minh họa cấu tạo thiết bị TENG hoạt động ở chế độ tiếp xúc – tách rời 41

Hình 4.1: Phổ IR của mẫu PEG, PMMA và 4K PEG10 - 40 44

Hình 4.2: Tương tác giữa PMMA và PEG trong hỗn hợp 45

Hình 4.3: Hình ảnh ngoại quan của mẫu màng xốp blend PEG/PMMA 46

Hình 4.4: Hình ảnh ngoại quan của mẫu màng xốp blend PEG/PMMA 47

Hình 4.5: Hình chụp SEM của các mẫu màng xốp blend PEG/PMMA trên lưới đồng ở các nồng độ polyme khác nhau: (a-c) 20, 40, 60 mg/ml Tỉ lệ PMMA:PEG ở các mẫu là 95:5 Mw PEG = 20K 48

Hình 4.6: Hình chụp SEM của các mẫu màng xốp blend PEG/PMMA trên lưới đồng ở nồng độ polyme 40 mg/ml: (a,b) 4K PEG5 và hình ảnh phóng đại của nó; (c,d) 10K PEG5 và hình ảnh phóng đại của nó; (e-f) 20K PEG5 và hình ảnh phóng đại của nó 50 Hình 4.7: Hình chụp SEM của các mẫu màng xốp blend PEG/PMMA trên lưới đồng ở nồng độ polyme 40 mg/ml: (a,b) 4K PEG10 và hình ảnh phóng đại của nó; (c,d) 10K PEG10 và hình ảnh phóng đại của nó; (e-f) 20K PEG10 và hình ảnh phóng đại của nó 53

Hình 4.8: Hình chụp SEM của các mẫu màng xốp blend PEG/PMMA trên lưới đồng ở nồng độ polyme 40 mg/ml: (a,b) 4K PEG15 và hình ảnh phóng đại của nó; (c,d) 10K PEG15 và hình ảnh phóng đại của nó; (e-f) 20K PEG15 và hình ảnh phóng đại của nó 54

Hình 4.9: Hình chụp SEM của các mẫu màng xốp blend PEG/PMMA trên lưới đồng ở nồng độ polyme 40 mg/ml: (a,b) 4K PEG5 và hình ảnh phóng đại của nó; (c,d) 4K PEG10 và hình ảnh phóng đại của nó; (e-f) 4K PEG15 và hình ảnh phóng đại của nó55 Hình 4.10: Hình chụp SEM của các mẫu màng xốp blend PEG/PMMA trên lưới đồng ở nồng độ polyme 40 mg/ml: (a,b) 10K PEG5 và hình ảnh phóng đại của nó; (c,d) 10K PEG10 và hình ảnh phóng đại của nó; (e-f) 10K PEG15 và hình ảnh phóng đại của nó 57

Hình 4.11: Hình chụp SEM của các mẫu màng xốp blend PEG/PMMA trên lưới đồng ở nồng độ polyme 40 mg/ml: (a,b) 20K PEG5 và hình ảnh phóng đại của nó; (c,d) 20K PEG10 và hình ảnh phóng đại của nó; (e-f) 20K PEG15 và hình ảnh phóng đại của nó 58Hình 4.12: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cấu trúc màng xốp và Mw, tỉ lệ PEG 59Hình 4.13: Hình chụp SEM của các mẫu convex-PDMS 60Hình 4.14: Cơ chế hoạt động trong một chu kỳ của TENG theo cơ chế tiếp xúc – tách rời 61Hình 4.15: Tín hiệu một chu kỳ hoạt động của TENG 62Hình 4.16: VOC và ISC của TENG sử dụng lớp ma sát điện dương lần lượt là màng nhôm, PMMA, 4K PEG5, 10K PEG5, 20K PEG5 tại tần số 5 Hz 63Hình 4.17: VOC và ISC của TENG sử dụng lớp ma sát điện dương lần lượt là màng nhôm, PMMA, 4K PEG10, 10K PEG10, 20K PEG10 tại tần số 5 Hz 65Hình 4.18: VOC và ISC của TENG sử dụng lớp ma sát điện dương lần lượt là màng nhôm, PMMA, 4K PEG15, 10K PEG15, 20K PEG15 tại tần số 5 Hz 65Hình 4.19: VOC và ISC của TENG sử dụng lớp ma sát điện dương lần lượt là màng nhôm, PMMA, 4K PEG5, 4K PEG10, 4K PEG15 tại tần số 5 Hz 66Hình 4.20: VOC và ISC của TENG sử dụng lớp ma sát điện dương lần lượt là màng nhôm, PMMA, 10K PEG5, 10K PEG10, 10K PEG15 tại tần số 5 Hz 67Hình 4.21: VOC và ISC của TENG sử dụng lớp ma sát điện dương lần lượt là nhôm, PMMA, 20K PEG5, 20K PEG10, 20K PEG15 tại tần số 5 Hz 67Hình 4.22: Mối quan hệ của Mw PEG và hàm lượng PEG đến thông số phát điện của màng xốp: (a) Điện thế mạch hở VOC, (b) Cường độ dòng điện ngắn mạch ISC 68Hình 4.23: VOC và ISC của TENG sử dụng lớp ma sát điện dương lần lượt là màng flat PMMA (f-PMMA), flat 4K PEG5 (f-4K PEG5) và màng xốp 4K PEG5 tại tần số 5 Hz 69Hình 4.24: VOC và ISC của TENG sử dụng lớp ma sát điện dương là màng 4K PEG5 tại các tần số 1-5 Hz 70Hình 4.25: Đồ thị biểu diễn giá trị điện thế mạch hở VOC của TENG phụ thuộc độ ẩm 71

Hình 4.26: VOC và ISC theo điện trở mạch ngoài của TENG sử dụng màng xốp 4K PEG5 73Hình 4.27: Mật độ công suất tức thời của TENG sử dụng vật liệu ma sát điện dương lần lượt là màng spongy 4K PEG5 và màng flat PMMA theo điện trở mạch ngoài 74Hình 4.28: Độ bền cơ học của TENG sử dụng màng xốp 4K PEG5 trong chu kỳ 12,500 vòng, dưới tác dụng lực ~ 38 N ở tần số 5 Hz và tín hiệu phóng to tương ứng 75Hình 4.29: Độ bền ẩm của TENG sử dụng màng xốp 4K PEG5 trong chu kỳ 1,000 vòng, dưới tác dụng lực ~ 38 N ở tần số 5 Hz 76Hình 4.30: Đường cong nạp điện cho các tụ điện có điện dung khác nhau của TENG sử dụng màng 4K PEG, kích thước 3 cm x 3 cm, dưới ngoại lực ~ 38 N ở tần số 5 Hz 78Hình 4.31: Minh họa thiết lập thử nghiệm khả năng sử dụng TENG để sạc tụ điện và sau đó cấp nguồn cho thiết bị đo nhiệt độ 79Hình 4.32: Đường cong sạc tụ 47 F và cấp nguồn cho thiết bị đo nhiệt độ của TENG 79Hình 4.33: Kết quả thử nghiệm TENG cấp nguồn cho thiết bị đo nhiệt độ: (a) Giai đoạn sạc tụ, (b) Giai đoạn cấp nguồn 80Hình 4.34: Minh họa thiết kế của TENG ứng dụng cho cảm biến tự cấp nguồn 81Hình 4.35: (a) Hệ thống 200 đèn led được thắp sáng bằng năng lượng đập tay, (b) Tín hiệu điện thế đầu ra của TENG chuyển hóa được từ năng lượng đập tay 81Hình 4.36: Thiết kế TENG sử dụng màng 4K PEG5 được gắn vào các vị trí khác nhau của cơ thể 82Hình 4.37: Tín hiệu điện thế VOC của TENG gắn tại hông (waist) trong lúc đi bộ, chạy chậm, chạy nhanh 83Hình 4.38: Tín hiệu điện thế VOC của TENG gắn tại khuỷu tay (elbow) trong lúc đi bộ, chạy chậm, chạy nhanh 83Hình 4.39: Tín hiệu điện thế VOC của TENG gắn tại gót chân (heel) trong lúc đi bộ, chạy chậm, chạy nhanh 84Hình 4.40: Tín hiệu điện thế VOC của TENG gắn tại đầu gối (knee) trong lúc đi bộ, chạy chậm, chạy nhanh 84Hình 4.41: Chuyển động của đầu gối khi đi bộ và khi chạy nhanh [69] 85Hình 4.42: Minh họa thiết kế của thiết bị EMI - TENG 87

Hình 4.43: Hình ảnh thực tế của thiết bị EMI – TENG trong nghiên cứu 87Hình 4.44: Khả năng phản xạ sóng điện từ của thiết bị EMI – TENG nghiên cứu và vật liệu vải dệt thông thường 88

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Ưu, nhược điểm của các phương pháp chế tạo polyme xốp hiện nay [37] 31Bảng 3.1: Bảng thống kê hóa chất/ nguyên liệu thí nghiệm 37Bảng 3.2: Bảng thống kê thiết bị 38Bảng 4.1: Bảng ký hiệu mẫu 43

TỪ VIẾT TẮT VÀ Ý NGHĨA

Từ viết tắt Cách viết đầy đủ - Giải nghĩa

TENG Triboelectric nanogenerator – Máy phát điện nano ma sát

PDMS Polydimethylsiloxane

PMMA Poly(methyl methacrylate)

PEG Poly(ethylene glycol)

SIPS Solvent Evaporation Induced Phase Separation – Phân pha do dung môi

bay hơi EMI Shileding Electromagnetic Interference Shielding – Chắn sóng điện từ

KÝ HIỆU TOÁN HỌC, ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ

Ký hiệu Đơn vị Tên và ý nghĩa đại lượng

ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhu cầu sử dụng năng lượng để phục vụ cho sản xuất và phát triển kinh tế - xã hội ngày một gia tăng Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) có trụ sở tại Paris đã dự đoán rằng nhu cầu năng lượng của thế giới sẽ tăng từ khoảng 12 tỷ tấn dầu tương đương (Tonne Oil Equivalent – T.O.E) trong năm 2009 lên đến 17 – 18 tỷ T.O.E vào năm 2035 [1] Đây chính là thách thức rất lớn cho ngành năng lượng trong bối cảnh các nguồn cung cấp năng lượng truyền thống như than đá, dầu khí… đang ngày càng cạn kiệt, không đủ đáp ứng nhu cầu Do đó, việc tiếp cận có hiệu quả các nguồn năng lượng sạch, giá cả phải chăng và bền vững đang là xu thế phát triển chung tất yếu không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới Trong vài thập kỷ gần đây, nhiều công nghệ thu hồi/ chuyển hóa năng lượng xanh đã được phát minh và áp dụng vào cuộc sống, đóng vai trò ngày càng quan trọng và đang dần thay thế các nguồn năng lượng truyền thống

Bên cạnh đó, các thiết bị điện tử di động công suất nhỏ và các cảm biến thông minh đang ngày càng trở nên phổ biến, có mặt khắp mọi nơi trong tất cả các lĩnh vực như đời sống, công nghiệp và công nghệ Trong xã hội hiện đại ngày nay, các thiết bị này đóng vai trò quan trọng, không thể thiếu trong kỷ nguyên Internet vạn vật (IoT), giúp nâng cao chất lượng sống của con người Tuy nhiên các thiết bị này sử dụng pin có tuổi thọ hạn chế, chứa nhiều chất độc hại, dẫn đến một số lượng lớn pin không thể tái

sử dụng bị thải ra môi trường, gây ra vấn đề ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng

Trước những áp lực từ khủng hoảng năng lượng toàn cầu và vấn đề ô nhiễm môi trường gây ra bởi các loại pin phế thải như đã đề cập ở trên, việc tìm ra những công nghệ năng lượng mới mang tính cấp thiết nhưng vẫn tồn tại những thách thức to lớn Vào năm

2012, nhóm nghiên cứu của giáo sư Zhong Lin Wang đã nghiên cứu và lần đầu tiên chế tạo thành công máy phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator - TENG), đây

là một thiết bị thu năng lượng cơ học (dao động cơ học, chuyển động của con người, gió, dòng nước chảy, sóng biển ) chuyển đổi thành điện năng với nguyên lý dựa trên

sự kết hợp của hiệu ứng ma sát điện và cảm ứng tĩnh điện [2] TENG đã cho thấy hiệu quả trong việc thu cũng như chuyển hóa năng lượng xanh một cách bền vững, được kì vọng là một trong những công nghệ hiệu quả trong tương lai để thu năng lượng sóng

biển (blue energy) Ngoài ra, TENG còn thể hiện được sự ưu việt trong việc chế tạo nguồn điện tích hợp trong các thiết bị tự cấp nguồn, các cảm biến…, là một ứng viên sáng giá để thay thế các loại pin truyền thống sử dụng trong các thiết bị di động đa chức năng

Khả năng ứng dụng của TENG được đánh giá dựa trên các yếu tố như hiệu quả phát điện, khả năng thích ứng và làm việc trong môi trường thực tế Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về TENG đã chỉ ra rằng mật độ điện tích ma sát điện là yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phát điện của TENG Để gia tăng được mật độ điện tích ma sát điện, các phương pháp thường được sử dụng là: lựa chọn vật liệu ma sát hợp lý, tối ưu các thiết kế và môi trường làm việc của TENG, cải thiện đặc tính của

bề mặt vật liệu bằng các phương pháp biến tính, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc [3]

Đề tài nghiên cứu đã ứng dụng vật liệu polyme cấu trúc xốp của blend PEG/PMMA trên điện cực lưới đồng trong thiết kế TENG với mục đích gia tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, từ đó gia tăng mật độ điện tích ma sát điện và cải thiện hiệu quả phát điện của TENG, đồng thời cũng giúp bảo vệ điện cực đồng trước những tác nhân gây oxy hóa và ăn mòn, giúp tăng cường khả năng thích ứng và làm việc của TENG trong môi trường thực tế Bên cạnh đó, việc sử dụng hỗn hợp hai loại polyme có tính tương thích sinh học cao là PMMA và PEG sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng TENG vào trong lĩnh vực y sinh nói chung và các thiết bị cảm biến theo dõi sức khỏe nói riêng

Chương 1: TỔNG QUAN1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

Khủng hoảng năng lượng toàn cầu hiện đang là một trong những vấn đề đáng quan tâm hàng đầu ngày nay Việc tiếp cận có hiệu quả các nguồn năng lượng sạch, giá

cả phải chăng và bền vững đang ngày càng trở nên cấp thiết không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới Máy phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator – TENG) đã chứng tỏ là một trong những công nghệ tốt nhất để chuyển đổi năng lượng cơ học, đặc biệt là các dao động ngẫu nhiên có tần số thấp, thành năng lượng điện có thể sử dụng được Ngoài ra, TENG gọn nhẹ mềm dẻo nên dễ dàng tích hợp cấp nguồn cho các thiết

bị điện tử di động, và đặc biệt TENG có thể hoạt động như một cảm biến tự cấp nguồn trong Internet vạn vật – IoT Tuy rằng mới được phát minh vào năm 2012, nhưng hướng nghiên cứu về TENG đã nhận được rất nhiều sự quan tâm từ cộng đồng khoa học và các

tổ chức trên toàn thế giới Điều này được thể hiện qua việc tăng nhanh số lượng các công bố quốc tế hàng đầu về TENG trong vòng những năm trở lại đây Theo số liệu thống kê tính đến tháng 7/2020, có hơn 56 quốc gia và vùng lãnh thổ, 830 cơ sở nghiên cứu và phòng thí nghiệm, hơn 4700 nhà khoa học trên khắp thế giới tham gia nghiên cứu về lĩnh vực TENG Hơn thế nữa, sự phổ biến của TENG trong nghiên cứu khoa học ngày càng gia tăng theo cấp số nhân được thể hiện trong cả số lượng bài báo đã xuất bản

và trích dẫn (như Hình 1.1) [4]

Hình 1.1: Số lượng các bài báo nghiên cứu có liên quan đến TENG (A) và các trích

dẫn (B) mỗi năm trong giai đoạn 2012 – 2020

Hiện nay trong lĩnh vực thu hồi và chuyển hoá năng lượng, mật độ công suất đầu

ra của TENG đã cải thiện từ 3.67 W/m2 kể từ ngày đầu tiên phát minh cho tới nay đã đạt được 2.67 kW/m2 [5] Các phương pháp nhằm cải thiện hiệu suất của máy phát điện

ma sát nano có thể kể đến như lựa chọn vật liệu ma sát hợp lý, tối ưu các thiết kế và biến tính bề mặt Trong các phương pháp trên, biến tính bề mặt là phương pháp hiệu quả và được sử dụng rộng rãi nhất nhằm tăng hiệu suất phát điện của TENG nhờ vào việc tăng cường tính chất bề mặt ma sát cũng như hiệu ứng điện ma sát của bề mặt vật liệu Nhìn chung, phương pháp biến tính bề mặt được chia thành hai nhóm phương pháp chính: biến tính vật lý và biến tính hóa học [6] Một số nghiên cứu về cải thiện hiệu suất phát điện của TENG nhờ vào biến tính vật lý, cụ thể là biến tính hình thái học của bề mặt (Surface Morphology) có thể kể đến như:

− Sử dụng kỹ thuật in thạch bản mềm (soft lithography), ví dụ: nhóm nghiên cứu của giáo sư Zhong Lin Wang, năm 2012, đã sử dụng kỹ thuật in thạch bản mềm (Soft Lithography) để tạo ra các patterns kích thước micro trên bề mặt lớp vật liệu ma sát polydimethylsiloxane (PDMS) Các patterns được tạo ra có các hình dạng khác nhau bao gồm dạng đường thẳng, dạng khối, và dạng khối kim tự tháp [7]

− Sử dụng giấy nhám, ví dụ: nhóm nghiên cứu của giáo sư Zhou Li, năm

2016, đã sử dụng giấy nhám để làm tăng độ nhám, do đó tăng cường tính chất ma sát của lớp vật liệu [8]

Bên cạnh các phương pháp biến tính hình thái học của bề mặt ma sát, các phương pháp biến tính hóa học bề mặt cũng đã được nghiên cứu rộng rãi, có thể kể đến như:

− Biến tính các nhóm chức hóa học trên bề mặt, ví dụ: nhóm nghiên cứu của giáo sư Sung Ho – Shin, năm 2015, đã biến tính bề mặt màng film PET với dung dịch lysine và silane [9]

− Ion hóa bề mặt, ví dụ: nhóm nghiên cứu của giáo sư Zhong Lin Wang, năm 2014, đã sử dụng súng bắn khí ion hóa (an air ionization gun) để thêm các ion âm lên bề mặt của FEP (Fluorinated Ethylene Propylene) [10]

Mặc dù các phương pháp trên đã chứng minh hiệu quả trong việc tăng cường hiệu quả phát điện cho TENG, tuy nhiên các phương pháp này cũng gặp phải những hạn chế lớn như giá thành chế tạo cao, quá trình chế tạo phức tạp, tốn thời gian Mặt khác,

vật liệu kim loại thường được sử dụng để chế tạo điện cực TENG bao gồm đồng (Cu), nhôm (Al), hoặc bạc (Ag) do chúng có độ dẫn điện cao [11], thường không bền do chúng

dễ bị oxy hóa và bị ăn mòn trong các môi trường làm việc khắc nghiệt như độ ẩm cao Ngoài ra, bề mặt tiếp xúc giữa lớp vật liệu ma sát và điện cực kim loại thường bị tổn hại sau thời gian hoạt động, điều này dẫn đến làm giảm hiệu quả phát điện, giảm độ bền và

độ ổn định của thiết bị TENG [12]

Gần đây, một số nghiên cứu đã được thực hiện để khắc phục các hạn chế trên, có thể kể đến như:

− Nhóm nghiên cứu của giáo sư Wang, năm 2016, đã chế tạo TENG hoàn toàn từ vật liệu polyme (all polymer based-TENG), trong đó polyme dẫn điện đóng vai trò vừa là vật liệu ma sát và điện cực dẫn điện [13] Mặc dù TENG được chế tạo hoàn toàn từ polyme có độ bền cao, nhưng hiệu quả phát điện bị hạn chế do polyme dẫn điện kém hơn so với kim loại

− Năm 2021, tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của TS Bùi Văn Tiến đã ứng dụng vật liệu lai hóa cấu trúc xốp phân cấp nano/micro (Hierarchically Porous Dielectric-Electrode Hybrid) của poly(methyl methacrylate) (PMMA) trên điện cực lưới đồng, được kỳ vọng sẽ khắc phục phần nào những khó khăn trên [14]

Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu về TENG còn tương đối mới Nhóm nghiên cứu của TS Bùi Văn Tiến, giảng viên Khoa Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Quốc gia (ĐHQG-HCM) với các hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các vật liệu cấu trúc nano, vật liệu sử dụng cho máy phát điện

ma sát nano, đã triển khai nhiều nghiên cứu và ứng dụng TENG tại Việt Nam Năm

2021, nhóm nghiên cứu của TS Bùi Văn Tiến đã nghiên cứu vật liệu nanocomposite graphene oxide - acid polylactic (GO/ PLA) không chứa chất hoạt động bề mặt với cấu trúc tổ ong có thể tùy chỉnh, kết hợp với PDMS bề mặt lồi sử dụng để chế tạo TENG có công suất đầu ra là 3.25 mW, cao hơn 13.6 lần so với công suất của TENG có bề mặt phẳng không có GO [15] Năm 2021, nhóm cũng đã nghiên cứu và phát triển màng nanocomposite porous graphene oxide-surfactant/ poly(lactic acid) (GO-S/ PLA) với vật liệu cấu trúc xốp tổ ong trật tự cao đóng vai trò là vật liệu ma sát điện dương, kết hợp với vật liệu âm PDMS có cấu trúc bề mặt lồi (microdome-PDMS) để phát triển

TENG có công suất đầu ra là 0.54 mW/cm2, cao hơn 8.6 lần so với TENG có bề mặt phẳng và không có GO [16]

1.2 Đề xuất nghiên cứu

1.2.1 Tính cấp thiết của nghiên cứu

Việc phát triển TENG hiện nay có tính cấp thiết và quan trọng dựa trên các cơ sở sau:

Một là, TENG được kỳ vọng là một trong những phương pháp tiếp cận hiệu quả

các nguồn năng lượng xanh – năng lượng tái tạo, từ đó giúp giải quyết khủng hoảng năng lượng do các nguồn năng lượng truyền thống (như than đá, dầu mỏ…) đang ngày một cạn kiệt

Hai là, sự phát triển của các thiết bị điện tử tự cấp nguồn và các cảm biến tự hành

trong mạng lưới Internet vạn vật - IoTs đòi hỏi một thiết bị cung cấp nguồn năng lượng mới khác với các loại pin truyền thống TENG là một công nghệ mới, nhiều tiềm năng, hứa hẹn có thể thay thế được các loại pin truyền thống dựa vào các ưu điểm như: có thể chuyển hóa các năng lượng thu được từ các chuyển động ngẫu nhiên thành điện năng,

có khả năng tự cấp nguồn, nhỏ gọn, linh hoạt có thể đeo được, giá thành hợp lý…

Đây là hai nguyên nhân chính thể hiện sự cấp thiết và tính thời sự của đề tài nghiên cứu này TENG là một công nghệ mới và sẽ là một trong những công nghệ nguồn của tương lai Việc nắm bắt kịp thời các thành quả nghiên cứu công nghệ mới sẽ góp phần giúp ích vào việc phát triển nền kinh tế nước nhà, đồng thời đẩy mạnh quá trình hướng đến công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Do đó việc nghiên cứu phát triển máy phát điện ma sát nano TENG và hệ cảm biến tự cấp nguồn dựa trên cơ sở TENG cho nền IoTs là cấp thiết ở Việt Nam

Bên cạnh đó, vật liệu cấu trúc xốp đã cho thấy tiềm năng trong việc cải thiện hiệu quả phát điện đầu ra của thiết bị TENG bằng cách gia tăng bề mặt ma sát hiệu dụng Đề tài nghiên cứu đề xuất chế tạo vật liệu cấu trúc xốp 3D từ blend của PEG và PMMA trên điện cực lưới đồng đóng vai trò là khung gia cường, ứng dụng cho máy phát điện nano

ma sát Việc sử dụng PEG, một polyme phân hủy sinh học và có tính chất điện ma sát tốt, cho chế tạo TENG được kỳ vọng sẽ nâng cao hiệu quả phát điện cũng như tăng khả

năng tương thích sinh học của TENG, từ đó mở rộng ứng dụng của TENG cho nhiều lĩnh vực khác nhau như lĩnh vực y sinh, chăm sóc sức khỏe con người

1.2.2 Tính mới và mức độ tác động của nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu ứng dụng vật liệu xốp vào máy phát điện ma sát nano để chuyển đổi các loại năng lượng cơ học (gió, sóng biển, sóng âm, dao động,…) thành điện năng Đây là lĩnh vực mới trong ngành chuyển đổi năng lượng tại Việt Nam cũng như thích hợp với xu hướng sử dụng năng lượng xanh – năng lượng tái tạo của thế giới

Vật liệu lai hóa cấu trúc xốp 3D dựa trên cơ sở vật liệu blend của PEG và PMMA gia cường bằng lưới đồng (copper nanowires woven mesh) lần đầu tiên được nghiên cứu một cách hệ thống, được kỳ vọng không những cho tính chất ma sát điện cao mà còn thể hiện nhiều tính chất tuyệt vời khác như tính tương thích sinh học cao, thoáng khí, chống oxy hóa, chống ăn mòn và có khả năng chắn sóng điện từ hiệu quả

Vật liệu lai hóa cấu trúc xốp liên tục này không chỉ ứng dụng trong chế tạo TENG

mà còn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều các lĩnh vực khác bao gồm màng lọc (filtration membrane), màng phân tách hỗn hợp dầu nước (water-oil separation), giá nuôi cấy tế bào (cell scaffold)

1.2.3 Tính khả thi của nghiên cứu

Phương pháp đề xuất chế tạo vật liệu cấu trúc xốp 3D từ blend polyme trong nghiên cứu này không chỉ đơn giản, dễ thực hiện, dễ tiếp cận, không đòi hỏi nhiều trang thiết bị tiên tiến hiện đại, mà còn có khả năng cải thiện hiệu quả phát điện khi ứng dụng vào TENG, phù hợp với tình hình nghiên cứu tại Việt Nam Phòng thí nghiệm Vật liệu polyme và Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme có đủ khả năng đáp ứng các yêu cầu

để thực hiện nghiên cứu này Ngoài ra còn có giảng viên hướng dẫn nhiệt tình, nhiều kinh nghiệm và kiến thức chuyên sâu về vật liệu cấu trúc nano, vật liệu sử dụng cho máy phát điện ma sát nano Vì vậy, nghiên cứu chế tạo vật liệu lai hóa cấu trúc xốp ứng dụng cho máy phát điện nano ma sát TENG là hoàn toàn khả thi

1.3 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu chung của đề tài nghiên cứu này là chế tạo thành công màng cấu trúc xốp 3D của blend PEG/PMMA trên điện cực lưới đồng và ứng dụng trong máy phát điện nano ma sát hiệu quả cao Những nội dung cụ thể bao gồm:

1 Chế tạo thành công vật liệu lai cấu trúc xốp 3D dựa trên cấu trúc xốp nano liên tục của blend PEG/PMMA trên điện cực lưới đồng bằng phương pháp phân pha nâng cao

2 Điều khiển cấu trúc xốp của PEG/PMMA blend bằng cách thay đổi các thông số chế tạo

3 Thiết kế và chế tạo thiết bị TENG từ các vật liệu cấu trúc xốp và khảo sát khả năng phát điện

4 Ứng dụng được thiết bị TENG đã chế tạo cho cấp nguồn và cảm biến

5 Nghiên cứu và nắm được kiến thức cơ bản về vật liệu polyme xốp và polyme blend, có kiến thức tổng quan về máy phát điện ma sát nano – TENG và ứng dụng các loại vật liệu nghiên cứu được vào thiết bị TENG

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung 1: Chế tạo vật liệu PEG/PMMA cấu trúc xốp trên lưới đồng copper nanowire woven mesh

• Phương pháp thực hiện: phân pha gây ra do dung môi bay hơi kết hợp phương

pháp phủ nhúng (dip – coating) để chế tạo màng xốp liên tục

Nội dung 2: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ polyme đến cấu trúc xốp

• Phương pháp thực hiện: Lần lượt thay đổi nồng độ dung dịch polyme lần lượt

là 20, 40, 60 mg/ml với tỉ lệ PMMA:PEG cố định là 95:5, thể tích THF:MeOH:nước cất cố định theo tỉ lệ 80:15:5

• Phương pháp đánh giá: Thực hiện phân tích và đánh giá cấu trúc xốp của vật

liệu PEG/ PMMA tạo thành từ các nồng độ dung dịch polyme khác nhau bằng

phương pháp:

+ Chụp ảnh ngoại quan để đánh giá ngoại quan và độ đồng đều của mẫu

+ Kính hiển vi điện tử quét SEM để đánh giá cấu trúc bề mặt xốp tạo thành + Độ nhớt dung dịch, độ xốp, FTIR

Nội dung 3: Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ PEG/ PMMA đến cấu trúc xốp

• Phương pháp thực hiện: Sau khi đã xác định được nồng độ polyme C (mg/ml)

thích hợp để chế tạo màng có độ xốp cao từ nội dung 2, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ PMMA:PEG đến cấu trúc xốp bằng cách lần lượt thay đổi tỉ lệ

PMMA:PEG = 100:0, 95:5, 90:10, 80:20

• Phương pháp đánh giá: Thực hiện đánh giá bề mặt cấu trúc xốp của vật liệu

PEG/PMMA tạo thành từ các tỉ lệ PMMA:PEG khác nhau bằng phương pháp

chụp kính hiển vi điện tử quét SEM

Nội dung 4: Khảo sát ảnh hưởng của M w của PEG đến cấu trúc xốp

• Phương pháp thực hiện: Sau khi đã xác định được nồng độ polyme C (mg/ml)

và tỉ lệ PMMA:PEG thích hợp để chế tạo màng có độ xốp cao từ nội dung 2 và

3, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của Mw của PEG đến cấu trúc xốp bằng cách sử

dụng lần lượt các loại PEG có Mw là 4000, 10000, 20000

• Phương pháp đánh giá: Thực hiện đánh giá bề mặt cấu trúc xốp của vật liệu

PEG/ PMMA tạo thành từ các PEG có Mw khác nhau bằng phương pháp chụp kính hiển vi điện tử quét SEM

Nội dung 5: Chế tạo màng convex-PDMS

• Phương pháp thực hiện: Chế tạo màng convex-PDMS bằng phương pháp đổ khuôn sử dụng khuôn mẫu Polystyrene có cấu trúc tổ ong

• Phương pháp đánh giá: Thực hiện đánh giá bề mặt cấu trúc của vật liệu

convex-PDMS bằng phương pháp chụp kính hiển vi điện tử quét SEM

Nội dung 6: Thiết kế và chế tạo máy phát điện nano ma sát

• Phương pháp thực hiện: Thiết kế thiết bị TENG hoạt động theo nguyên lý tiếp

xúc – tách rời, sử dụng vật liệu PEG/PMMA@Cu mesh làm lớp ma sát điện

dương và vật liệu convex-PDMS làm lớp ma sát điện âm

Nội dung 7: Khảo sát các khả năng phát điện và độ bền của TENG

• Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ PMMA:PEG, khối lượng phân tử Mw của PEG đến thông số hiệu quả phát điện của thiết bị TENG, cụ thể là hai thông số điện thế

mạch hở VOC và cường độ dòng điện ngắn mạch ISC

• Khảo sát ảnh hưởng của bề mặt ma sát đến hiệu quả phát điện của thiết bị TENG: chế tạo TENG từ các vật liệu ma sát có cấu trúc bề mặt khác nhau (màng phẳng,

màng xốp), đo các thông số VOC, ISC của các thiết bị này và so sánh

• Khảo sát ảnh hưởng của tần số của tác động cơ học bên ngoài đến hiệu quả phát điện của thiết bị TENG

• Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đến khả năng phát điện của TENG

• Khảo sát ảnh hưởng của tổng trở mạch ngoài đến VOC, ISC, mật độ công suất của TENG

• Khảo sát độ bền của TENG trong điều kiện môi trường làm việc bình thường và điều kiện môi trường làm việc có độ ẩm cao

Nội dung 8: Ứng dụng TENG cho cấp nguồn các thiết bị điện tử công suất thấp, cảm biến theo dõi sức khỏe và thiết bị chắn sóng điện từ

Ứng dụng TENG đã chế tạo dùng để cấp nguồn trực tiếp cho các thiết bị điện tử

có công suất thấp, cảm biến chuyển động của cơ thể và thiết bị chắn sóng điện từ

Nội dung 9: Tổng hợp kết quả nghiên cứu và chuẩn bị báo cáo

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Máy phát điện nano ma sát

2.1.1 Giới thiệu

Máy phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator - TENG) là thiết bị thu năng lượng cơ học (dao động cơ học, chuyển động cơ thể người, gió, dòng nước, sóng biển,…) chuyển đổi thành điện năng, do nhóm nghiên cứu của giáo sư Zhong Lin Wang chế tạo thành công lần đầu tiên vào năm 2012 [2] TENG có một số ưu điểm như dễ sản xuất, gọn nhẹ, hiệu quả cao, độ bền cao, vật liệu chế tạo đa dạng, đặc biệt là có thể thu được tín hiệu từ các chuyển động ngẫu nhiên, tần số thấp (< 5Hz) [17]

Ngày nay, TENG được phát triển và ứng dụng rộng rãi vào bốn lĩnh vực chính: nguồn năng lượng micro/ nano, cảm biến tự cấp nguồn, thu hồi năng lượng xanh quy

mô lớn, nguồn điện cao áp trực tiếp (Hình 2.1) [4]

Hình 2.1: Tóm tắt bốn lĩnh vực ứng dụng chính của TENG và một số các sáng chế liên

quan

2.1.2 Các chế độ hoạt động của TENG

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện nano ma sát TENG dựa trên sự kết hợp của hiệu ứng điện ma sát và hiệu ứng cảm ứng điện từ nhằm chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện [18] Trong đó, hiệu ứng điện ma sát là hiện tượng đề cập đến sự tạo ra điện tích giữa hai vật liệu khác nhau có ái lực bề mặt riêng biệt tiếp xúc với nhau thông qua ma sát Hiện tượng cảm ứng điện từ là một quá trình tạo ra điện mà các điện tử ở một điện cực sẽ chuyển sang điện cực kia thông qua tải trọng bên ngoài để cân bằng điện thế

Hình 2.2: Bốn chế độ hoạt động của TENG: (a) Chế độ tiếp xúc – tách rời; (b) Chế độ

trượt ngang; (c) Chế độ điện cực đơn; (d) Chế độ điện cực tự do

Hình 2.2 mô tả bốn chế độ hoạt động khác nhau của TENG, tùy thuộc vào thay

đổi hướng phân tách và cấu hình điện cực [18], bao gồm:

• Chế độ tiếp xúc – tách rời (Vertical Contact – Separation Mode)

• Chế độ trượt ngang (Lateral Sliding Mode)

• Chế độ điện cực đơn (Single – Electrode Mode)

• Chế độ điện cực tự do (Freestanding Triboelectric Layer Mode)

Chế độ tiếp xúc – tách rời (Vertical Contact – Separation Mode) (Hình 2.2a) là

chế độ hoạt động được phát triển đầu tiên của TENG và được sử dụng phổ biến nhất

hiện nay Nó bao gồm hai vật liệu điện môi khác nhau hoặc vật liệu kim loại và điện

môi đóng vai trò các lớp điện ma sát hoạt động Chế độ này có ưu điểm dễ chế tạo, thiết

kế đơn giản và giá thành thấp Hiệu suất của thiết bị có thể được cải tiến bằng cách thiết

kế thiết bị nhiều lớp chồng lên nhau

Chế độ trượt ngang (Lateral Sliding Mode) (Hình 2.2b) có cấu hình tương tự như

chế độ tiếp xúc – tách rời, nhưng điện tích bề mặt lớp điện ma sát được tạo ra bởi sự

trượt tương đối của hai lớp điện ma sát Do chuyển động trượt lên nhau nên vật liệu dễ

bị mòn và rách do ma sát cao hơn, dẫn đến tuổi thọ của thiết bị kém

Chế độ điện cực đơn (Single – Electrode Mode) (Hình 2.2c) bao gồm một lớp

điện môi hoặc kim loại duy nhất được nối với đất Điện tích bề mặt ma sát được tạo ra

khi một lớp di động trên cùng (bất kỳ vật thể nào chẳng hạn như bàn tay người) tiếp xúc

với lớp điện ma sát dưới cùng (nối với mặt đất) Thiết kế của chế độ điện cực đơn khắc

phục được hạn chế tắc nghẽn ở hai bên đầu dây tiếp xúc của các ứng dụng trong chế độ

tách tiếp xúc và trượt ngang, nhưng hiệu quả đầu ra thấp do khả năng truyền điện tích

kém

Chế độ điện cực tự do (Freestanding Triboelectric Layer Mode) (Hình 2.2d) bao

gồm điện cực đối xứng và một lớp điện môi đứng yên Sự tiếp xúc và tách lớp điện môi

tự do với các điện cực sẽ tạo ra hiệu điện thế giữa hai điện cực do đó gây ra dòng điện

Thiết bị này cũng có thể được chế tạo dễ dàng và có thể được sử dụng cho nhiều loại

ứng dụng

Mỗi chế độ đều có đặc tính riêng biệt và lợi thế cụ thể, tùy theo mục đích và yêu

cầu của từng ứng dụng mà người ta thiết kế, kết hợp các chế độ để tối ưu nhất hiệu quả

điện đầu ra và các tính chất liên quan Đề tài nghiên cứu này tập trung thiết kế thiết bị

TENG hoạt động theo chế độ tiếp xúc – tách rời (Vertical Contact – Separation Mode)

Nguyên lý hoạt động của chế độ tiếp xúc – tách rời:

Hình 2.3: Minh họa nguyên lý hoạt động của chế độ tiếp xúc – tách rời [19]

Nguyên lý hoạt động của chế độ tiếp xúc – tách rời được minh họa chi tiết trong

Hình 2.3 Hai lớp vật liệu ma sát khác nhau được sắp xếp đối diện nhau và cách nhau

một khoảng nhất định theo chiều thẳng đứng Ở mặt còn lại của chúng là hai điện cực được nối với nhau tạo thành mạch ngoài

Nguyên lý của quá trình phát điện có thể được giải thích bằng hiệu ứng ma sát

điện ở bên trong và cảm ứng tĩnh điện ở bên ngoài Ở trạng thái ban đầu (Hình 2.3.I Origin), chưa có điện tích ở bề mặt của hai lớp vật liệu ma sát Khi có ngoại lực tác động làm cho hai bề mặt tiếp xúc vật lý với nhau (Hình 2.3.II Bended/ Pressed), theo

nguyên lý sự nhiễm điện tiếp xúc, các điện tích dương được hình thành trên bề mặt của vật liệu dương và điện tích âm được hình thành trên bề mặt của vật liệu âm Do sự tích

tụ điện tích, mật độ điện tích trên bề mặt lớp vật liệu ma sát tăng dần và đạt trạng thái bão hòa sau một vài chu kỳ tiếp xúc – tách rời Tiếp theo, khi ngoại lực biến mất, hai bề

mặt tiếp xúc bị ngăn cách (Hình 2.3.III Releasing), trường tĩnh điện phát sinh từ các

điện tích trên bề mặt vật liệu ma sát và các điện cực ép các electron ở lớp điện cực kim loại này chạy qua tải bên ngoài đến điện cực kim loại kia cho đến khi trường tĩnh điện

đạt được trạng thái cân bằng (Hình 2.3.V Released) Hiệu điện thế giữa hai điện cực là

một hàm của khoảng cách chênh lệch giữa hai điện cực Khi hai bề mặt tiếp xúc lại gần nhau, hiệu điện thế bắt đầu giảm về bằng 0, các điện tích đã chuyển từ quá trình trên sẽ chảy ngược trở lại thông qua tải bên ngoài và tạo thành một dòng điện ngược chiều

(Hình 2.3.VI Bending/ Pressing), dẫn đến tạo ra dòng điện xoay chiều Dòng điện này

sẽ biến mất khi trạng thái cân bằng điện thế trong mạch được thiết lập trở lại, là lúc hai lớp vật liệu ma sát tiếp xúc hoàn toàn trở lại với nhau Với vòng lặp tuần hoàn như vậy, dòng điện sẽ được sản sinh liên tục dưới dạng xung xoay chiều cho tới khi ngoại lực ngừng tác dụng lên thiết bị [19]

Các thông số quyết định đến hiệu quả đầu ra và khả năng hoạt động của TENG:

đến 85%, hiệu điện thế hở mạch VOC có thể đạt được lên tới vài nghìn voltage và ISC có thể đạt được ở mức độ microampere [20]

Hình 2.4: Minh họa giá trị các thông số điện quan trọng trong TENG: (a) Điện áp hở mạch V OC , (b) Cường độ dòng điện ngắn mạch I SC , (c) Điện tích hiệu dụng

(d) Công suất tức thời

Từ Hình 2.4.a-b cho thấy, tín hiệu đầu ra của dòng điện và hiệu điện thế là tín

hiệu dạng xung không liên tục, giá trị V, I đạt cực đại không ở cùng một thời điểm Công

suất phát điện đầu ra của TENG (Hình 2.4.d) phụ thuộc vào tổng trở mạch ngoài - tải

mạch ngoài và nó sẽ đạt giá trị cực đại ở một giá trị tải nhất định Bằng cách khảo sát sự thay đổi của công suất phát điện khi thay đổi giá trị tổng trở mạch ngoài, người ta sẽ xác định được công suất cực đại của TENG Công suất đầu ra P=UI và P=U2/R có thể nhận được giá trị khác nhau do đây là công suất tức thời và giá trị U, I không đạt cực đại ở cùng một thời điểm Do đó, trong TENG chưa có những tiêu chuẩn để tính hiệu suất (như pin năng lượng mặt trời), chỉ xét đến giá trị hiệu quả

2.1.3 Các phương pháp cải thiện hiệu quả đầu ra của TENG

Các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về TENG đã chỉ ra rằng mật độ điện tích ma sát điện là yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của TENG Để gia tăng được mật độ điện tích ma sát điện, các phương pháp thường được sử dụng là: lựa chọn vật liệu chế tạo hiệu quả, tăng diện tích ma sát điện và thay đổi điều kiện môi trường [18]

Hình 2.5: Các phương pháp gia tăng mật độ điện tích ma sát điện [18]

a) Lựa chọn vật liệu chế tạo hiệu quả

Việc chọn lựa cặp vật liệu chế tạo phù hợp để cải thiện hiệu quả đầu ra của TENG chủ yếu dựa trên sự phù hợp về điện tích bề mặt giữa hai cặp vật liệu ma sát Trên lý

thuyết, vật liệu ma sát càng âm hoặc càng dương sẽ càng hiệu quả trong việc tăng hiệu suất của TENG Tuy nhiên còn tùy vào sự tương thích của các cặp vật liệu cũng như yêu cầu, mục đích ứng dụng của TENG mà lựa chọn các loại vật liệu phù hợp [21]

b) Thay đổi điều kiện môi trường sử dụng

Phương pháp này đề cập tới các yếu tố ảnh hưởng trong môi trường hoạt động của TENG như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm [18]

c) Tăng diện tích ma sát điện

Diện tích ma sát điện giữa hai lớp vật liệu có thể tăng lên đáng kể khi xử lý biến tính bề mặt (Surface Engineering) Các phương pháp biến tính bề mặt có thể được chia thành hai nhóm chính: biến tính hình thái học của bề mặt (Morphology Surface Engineering) và biến tính bản chất hóa học của bề mặt [6]

Biến tính hình thái học của bề mặt ma sát chủ yếu dựa trên nguyên lý tăng độ nhám cho bề mặt, đa phần là các phương pháp vật lý, không thay đổi bản chất hóa học của bề mặt vật liệu ma sát Các phương pháp đã được nghiên cứu có thể kể đến như: sử dụng giấy nhám [8], sử dụng kỹ thuật in thạch bản mềm (soft lithography) [7], ứng dụng các cấu trúc nano/ micro lên bề mặt của vật liệu ma sát [22]… Ưu điểm của phương pháp này là không giới hạn trong việc lựa chọn vật liệu ma sát Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khó ứng dụng vào các thiết bị TENG có quy mô lớn

Biến tính bản chất hóa học của bề mặt vật liệu ma sát làm thay đổi cấu trúc, thành phần hóa học của vật liệu ma sát bằng các phương pháp phổ biến như: thêm/ biến tính các nhóm chức, bổ sung ion hoặc phủ thêm các nguyên tố thích hợp lên bề mặt vật liệu

ma sát [6] Phương pháp này có thể khắc phục khó khăn khi ứng dụng vào các thiết bị TENG có quy mô lớn, tuy nhiên lại hạn chế trong việc lựa chọn vật liệu thích hợp

Do cả hai phương pháp biến tính bề mặt trên đều có ưu nhược điểm nhất định, ngày nay người ta thường kết hợp cả hai phương pháp trên để có thể tối ưu hóa ưu điểm của chúng, từ đó giúp tăng hiệu quả đầu ra của TENG một cách triệt để hơn Việc kết hợp cả hai phương pháp biến tính vật lý và hóa học được gọi là Hybrid Modification, bao gồm hai quy trình phổ biến hiện nay là quy trình nhiều giai đoạn (step-by-step process) và một giai đoạn (one-step process) [23]:

- Quy trình một giai đoạn (one-step process): tiến hành thực hiện biến tính hình

thái học và các nhóm chức bề mặt cùng một lúc và trong một bước duy nhất, ví dụ đặc trưng là phương pháp tổ hợp siêu phân tử (supramolecular assembly) Giáo sư Park và cộng sự [24] đã nghiên cứu về quy trình tổ hợp siêu phân tử ứng dụng cho TENG, dựa trên việc chế tạo màng film mỏng cấu trúc nano xốp bằng phương pháp coating dung dịch polyme bậc ba của SPS, P2VP và amine-terminated poly(ethylene oxide) (APEO)

Hình 2.6.A,B minh họa cơ chế hình thành cấu trúc xốp nano của nghiên cứu này, dựa

trên sự cạnh tranh giữa liên kết acid-base của tổ hợp SPS-APEO và liên kết hydro của

tổ hợp SPS-PV2P khi dung môi bay hơi Đồng thời, bề mặt các lỗ xốp bao gồm các polyme APEO và P2VP có thể dễ dàng thay đổi với mỗi tỉ lệ khối lượng APEO khác nhau Như vậy phương pháp tổ hợp siêu phân tử trên là một phương pháp biến tính bề mặt kết hợp giữa thay đổi hình thái học và các nhóm chức của màng film xốp nano tạo

thành chỉ trong một giai đoạn là coating màng film Hình 2.6.C,D cho thấy hiệu quả

phát điện của TENG được cải thiện theo tỉ lệ khối lượng của APEO, cụ thể là cường độ dòng ngắn mạch tăng gấp 1.5 lần và công suất tức thời tăng gấp 2 lần khi tỉ lệ khối lượng APEO là 0.15, nguyên nhân là do cả diện tích bề mặt ma sát và khả năng cho điện tử của vật liệu ma sát điện âm đều được tăng cường

Hình 2.6: (A,B) Sơ đồ minh họa cấu trúc xốp nano hình thành trong quy trình tổ hợp siêu phân tử, (C,D) Đồ thị thể hiện hiệu quả phát điện của TENG đối với mỗi tỉ lệ khối

lượng của APEO khác nhau [24]

- Quy trình nhiều giai đoạn (step-by-step process): tiến hành các phương pháp

biến tính vật lý trước rồi mới tiếp tục thực hiện biến tính hóa học, hoặc ngược lại Nghiên cứu của Giáo sư Chun và cộng sự [25] đã áp dụng quy trình này, đầu tiên là chế tạo ITO cấu trúc nanohelix trên chất nền polyethylene naphtholate phủ Pt bằng phương pháp lắng đọng góc nghiêng (oblique-angle deposition), sau đó tiến hành biến tính các nhóm chức bề mặt của ITO cấu trúc nanohelix bằng lysine và một hợp chất có nhóm fluoro TENG sử dụng vật liệu ma sát là ITO cấu trúc nanohelix này có hiệu quả phát điện cao hơn hẳn so với khi sử dụng ITO cấu trúc phẳng thông thường, cụ thể là điện thế mạch

hở tăng gấp 3 lần, nguyên nhân là do hiệu quả kết hợp khi tăng diện tích bề mặt ma sát (sử dụng cấu trúc nanohelix) và tăng sự chênh lệch về khả năng ái điện tử của cặp vật liệu ma sát (thêm vào các nhóm chức thích hợp)

Nhìn chung, việc sử dụng phương pháp biến tính kết hợp cả hai loại biến tính vật

lý và hóa học đều đem lại những cải thiện đáng kể về hiệu quả đầu ra của TENG Phương pháp biến tính kết hợp theo quy trình nhiều giai đoạn cho ra kết quả tốt hơn và dễ dàng điều khiển hơn, trong khi quy trình một giai đoạn thì lại dễ thực hiện hơn [23] Những thách thức trong tương lai đối với phương pháp biến tính kết hợp này có thể kể đến như làm thế nào để tối ưu hóa sự đóng góp của mỗi phương pháp biến tính trong phương pháp kết hợp, từ đó có thể cải thiện tối đa hiệu quả đầu ra của TENG Ngoài ra, việc lựa chọn từng phương pháp biến tính để kết hợp hiệu quả với nhau cũng cần được cân nhắc

kỹ lưỡng Sự đa dạng trong việc lựa chọn các phương pháp biến tính kết hợp với nhau cũng giúp mở ra vô số khả năng ứng dụng của TENG

2.1.4 Lựa chọn vật liệu sử dụng trong chế tạo TENG

Như đã đề cập từ phần trước, nguyên lý hoạt động của TENG dựa trên sự kết hợp của hiệu ứng điện ma sát và hiệu ứng cảm ứng điện từ Bản chất của hiệu ứng điện ma sát là sự dịch chuyển electron giữa hai vật liệu có ái lực electron khác nhau khi tiếp xúc với nhau Hướng của sự dịch chuyển electron phụ thuộc vào sự khác biệt về ái lực electron của hai vật liệu ma sát Vật liệu nào có ái lực với electron cao hơn sẽ hút các electron từ vật kia, khiến nó trở thành chất nhận điện tử (Electron Acceptor), bên còn lại

bị mất electron và trở thành vật liệu cho electron (Electron Donor) [21] Vật liệu cho và

nhận electron có thể được xác định theo thứ tự của chúng trong chuỗi điện ma sát

(Triboelectric Series) như Hình 2.7 dưới đây

Hình 2.7: Chuỗi điện ma sát của một số loại vật liệu [26]

Trong TENG, luôn có một cặp vật liệu ma sát có ái lực electron khác nhau được

sử dụng để tạo ra điện tích Về mặt lý thuyết, để tạo ra được nhiều điện tích hơn và cải thiện hiệu quả đầu ra của TENG, cần lựa chọn hai loại vật liệu ma sát có sự chênh lệch

về ái lực electron lớn nhất Tuy nhiên, trên thực tế, việc lựa chọn như vậy lại ít khi được

áp dụng Nguyên nhân là do quá trình ma sát điện không chỉ phụ thuộc vào ái lực electron, hay nói cách khác là thành phần và cấu trúc hóa học của vật liệu, mà còn phụ thuộc vào nhiều tính chất vật lý khác của vật liệu, như khả năng đàn hồi, ma sát và đặc điểm hình thái học của bề mặt vật liệu ma sát [21]

Trong nghiên cứu này, cặp vật liệu ma sát được sử dụng là PDMS và blend PEG/PMMA trên nền điện cực lưới đồng (PEG/PMMA@Cu mesh)