复合压电材料纳米线阵列的调控生长及其压电发电性能的研究

At present, the research of piezoelectric nanogenerator has become one of the front and hotspot tasks in the international nanomaterials research field. It not only has both significant theoretic values and wide potential applications, but also is a certain challenge task. Based on the piezoelectric composite nanowire arrays, this project will carry out the systematic and basic research including preparation techniques, composition design, the assembling techniques and the measurement of properties for piezoelectric nanogenerator. We will study the following four key scientific problems, such as the tuning growth of the piezoelectric composite nanowire arrays and its growth mechanism, the relationship of structural design, assembling techniques and properties, the relationship between composition mechanism and piezoelectric property, and based on the theoretical simulation of the piezoelectric output mechanism, effective methods and approaches to improve piezoelectric property. This work has novelty for the piezoelectric composite nanowire arrays nanogenerator, growth mechanism, piezoelectric composition mechanism, and improved properties. It is expected the present research may offer useful guidelines to the design and application of piezoelectric composite nanomaterials and devices.

纳米压电发电是当前国际纳米材料研究的前沿和热点之一，是具有重要科学意义和实际应用价值的研究课题，也是非常具有挑战性的工作。本项目选择复合压电材料纳米线阵列，开展制备技术、成分设计、压电发电机组装和压电发电性能测试等系统基础研究,重点研究四个关键科学问题：复合压电纳米线阵列的调控生长及其生长机理；结构设计和组装工艺与性能的关联；复合机理及其压电发电性能的关联；基于理论模拟的压电输出机理的探索和改善压电发电性能的有效途径。本项目对复合压电纳米材料及其生长机理、复合压电发电机理和压电发电性能的改善具有创新性，研究成果将对基于复合压电纳米线阵列的压电发电器件的开发和应用提供很好的理论和实践依据。

本项目系统研究了复合压电纳米材料（纳米线阵列、纳米管阵列、纳米墙阵列等）的调控生长及其生长机理、纳米发电机材料改性和纳米发电机机构设计对能源收集性能参数的提高和影响，其主要完成的工作包括：（一）压电纳米材料的调控生长及其生长机理：对ZnO的纳米线阵列、纳米管阵列、金字塔阵列和纳米梳的调控生长进行了研究，得到了最佳的制备条件及其机理， 并对ZnO与PZT的复合进行了研究； 对纳米压电材料CdS墙、ZnSnO3和NaNbO3进行了调控生长研究， 获得其对应的最佳合成条件及其机理。（二）系统研究了基于压电纳米阵列的压电发电机性能：完成了ZnO阵列、 PZT和ZnO与PZT两种无机材料复合压电发电机的设计，同时系统研究了其输出性能，结果表明：复合的压电性能是最好的；对CdS纳米墙阵列的压电发电机在不同条件下的压电输出性能进行了测试，结果表明：纳米墙的压电性高出已报告CdS纳米线阵列。（三）系统研究了复合纳米发电机的结构设计和组装与其性能和机理的关联：纳米发电机领域发展非常迅速，特别是摩擦发电机的诞生， 以其高发电效率推动纳米发电机领域快速发展。紧跟领域发展前沿，本项目全体组员以压电纳米发电机为基础，结合摩擦纳米发电机的研究，展开了系列研究工作，拓展了该项目的研究范围。本项目以无机压电材料ZnSnO3、NaNbO3、ZnO和无机碳材料分别与有机材料PDMS复合的发电机，制备了复合发电机，并对其输出性能进行了系统研究,对部分复合纳米发电机，基于理论模拟计算，得到了相应的复合纳米发电机输出机理和改善发电性能的有效途径；系统研究了不同结构和收集不同能量的复合发电机，如全方位摩擦发电机、转动发电机、口哨式风能发电以及热释电发电机等，这些发电机的性能良好，其性能参数较之前的文献报道均有所提高。本项目对复合压电材料纳米材料调控生长及其生长机理、复合纳米发电机机理和发电性能的改善具有一定的创新性，研究成果对复合纳米发电机及其相关器件的开发和应用提供了一定的理论和实验依据。