Luận án TS Châu Ngọc Mai: Polyme vi cấu trúc cho phát điện nano ma sát TENG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHÂU NGỌC MAI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME VI CẤU TRÚC ỨNG DỤNG PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN NANO MA SÁT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2024 VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY CHAU NGOC MAI FABRICATION OF MICRO-/NANO-STRUCTURED POLYMERIC TRIBOMATERIALS FOR THE DEVELOPMENT OF HIGH-PERFORMANCE TRIBOELECTRIC NANOGENERATORS A dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy HO CHI MINH CITY – 2024 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHÂU NGỌC MAI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU POLYME VI CẤU TRÚC ỨNG DỤNG PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN NANO MA SÁT Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu Mã số chuyên ngành: 9520309 Phản biện độc lập: Phản biện độc lập: Phản biện: PGS.

Trần Thị Thanh Vân Phản biện: PGS. Nguyễn Đình Thành Phản biện: PGS. Nguyễn Thị Lệ Thu NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. LA THỊ THÁI HÀ 2.

BÙI VĂN TIẾN LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án 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 đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Châu Ngọc Mai i TÓM TẮT LUẬN ÁN Thiết bị phát điện nano ma sát (triboelectric nanogenerator – TENG) là công nghệ mới hiệu quả nhất để thu hồi chuyển hoá năng lượng cơ học cho đến ngày nay bởi nó có thể chuyển đổi năng lượng cơ học không ổn định như chuyển động hàng ngày của con người (chạm tay, đi bộ) và các hiện tượng tự nhiên (gió, sóng, mưa) thành điện năng dựa trên hiệu ứng ma sát điện và cảm ứng tĩnh điện.

Bên cạnh nhiều ưu điểm bao gồm TENG được chế tạo đơn giản, giá thành thấp và có khả năng chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, hiệu quả phát điện đầu ra của TENG vẫn còn hạn chế, giới hạn khả năng mở rộng ứng dụng của TENG trong các lĩnh vực thực tế. Để cải thiện điều này, nhiều nghiên cứu đã chứng minh việc chế tạo các vi cấu trúc micro, nano có thể giúp cải thiện hiệu quả phát điện đầu ra của TENG nhờ tăng diện tích ma sát hiệu dụng và giảm mức độ thất thoát điện tích của vật liệu ma sát. Trong đó, vi cấu trúc được nghiên cứu chế tạo rộng rãi nhất được chứng minh cải thiện nhiều lần hiệu quả của TENG là cấu trúc xốp nhờ vào diện tích bề mặt riêng lớn và có nhiều lỗ xốp như các “hồ trữ điện” hạn chế thất thoát điện tích, nhưng lại có cơ tính và độ bền hoạt động rất kém, rất dễ bị phá huỷ cấu trúc khi TENG hoạt động thời gian dài. Cấu trúc bề mặt micropattern cung cấp diện tích ma sát bề mặt hiệu dụng lớn, cơ tính cao, khả năng các micropattern biến dạng theo chiều ngang lớn, nhưng không thể lưu giữ điện tích nên dễ xảy ra thất thoát ra môi trường, làm giảm hiệu quả phát điện của TENG.

Ngoài ra, việc lựa chọn loại polyme có các nhóm chức cho/nhận điện tử cũng đóng vai trò quyết định đến hiệu quả phát điện đầu ra của TENG. Do đó, Luận án Tiến sĩ này được thực hiện với tiêu đề “Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme vi cấu trúc ứng dụng phát triển thiết bị phát điện nano ma sát” nhằm chế tạo các vật liệu vi cấu trúc mới trên các loại polyme khác nhau và đánh giá khả năng phát điện của chúng. Từ đó, chọn ra loại vật liệu vi cấu trúc có hiệu quả phát điện cao nhất, phù hợp với từng ứng dụng trong thực tế. ii ABSTRACT Triboelectric nanogenerator (TENG) is one of the most novel technologies to harvest green energy to date thanks to its ability to convert unstable mechanical energy from everyday human movements (such as touching or walking) and natural phenomena (such as wind, waves, and rain) into usable electrical energy through triboelectrification and electrostatic induction.

Despite numerous advantages, such as its fabrication simplicity, low cost, and various choices of input materials, the output electrical generation efficiency of TENG remains a challenge and has not fully satisfying the practical applications of TENG. To address this, many studies have demonstrated that micro- and nano-structured surfaces can enhance the triboelectrification efficiency by increasing the effective frictional surface area and the charge-storing capability of the tribomaterials. Among these, the most widely studied and proven structures those significantly improve TENG efficiency are the porous/sponge-like structures. Those structures, characterized by a high surface-area- to-volume ratio and numerous pores resembling “charge-captuing reservoirs”, restricts charge leakage, but it has limited contact surface area, poor mechanical properties, and low durability, making it susceptible to structural damage during prolonged TENG operation.

On the other hand, patterned surface structures offer a large effective contact surface area, high mechanical strength, and multidirection horizontal deformation of the convex features, but they lack the ability to capture charges, leading to charge leakage into the air, thereby reducing the general electrical generation efficiency of TENG. Additionally, the choice of polymer tribomaterials with electron-donating or electron-accepting functional groups plays a decisive role in the output electrical generation efficiency of TENG. Hence, this Ph. dissertation was conducted under the title “Fabrication of micro-/nano-structured polymeric tribomaterials for the development of high-performance triboelectric nanogenerators”.

The primary objective of this dissertation is to create novel micro- /nano-structured tribomaterials from various polymer types and evaluate their electrical generation capabilities, from which, to identify the nanostructured materials with the optimized electrical generation efficiency, tailored for specific practical applications. iii LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng cám ơn TS. La Thị Thái Hà và TS. Bùi Văn Tiến, hai người thầy cô luôn đồng hành và giúp đỡ tôi hết lòng trong quá trình thực hiện Luận án Tiến sĩ này.

Xin cảm ơn gia đình luôn ủng hộ về mặt vật chất và tinh thần bất kể thời gian. Xin cảm ơn quý thầy cô Khoa Công nghệ Vật liệu, đặc biệt là Bộ môn Vật liệu Polyme đã luôn hỗ trợ về cơ sở vật chất trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Kính chúc Quý thầy cô trong Khoa Công nghệ Vật liệu nói chung, Bộ môn Vật liệu Polyme nói riêng, thật nhiều sức khoẻ, thật nhiều thành tựu, thật nhiều nhiệt huyết dẫn dắt các thế hệ sinh viên tiếp theo. Xin cảm ơn các bạn sinh viên, HVCH tại NaINM Lab đã luôn giúp đỡ tôi trong thời gian qua.

Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Công Thương TP. Hồ Chí Minh và Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ thực phẩm đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận án này. Luận án được tài trợ bởi Chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), mã số VINIF.073; Đề tài cấp B Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh mã số 562- 2022-20-03; Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) mã số 103.

iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU. xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. xv CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU .1 Lý do chọn đề tài .2 Mục tiêu nghiên cứu .1 Mục tiêu tổng quát .2 Mục tiêu cụ thể .3 Nội dung nghiên cứu .4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .6 Đóng góp của luận án .7 Tính mới của luận án.

5 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN .1 Thiết bị phát điện nano ma sát .1 Hiệu ứng ma sát điện .2 Cảm ứng tĩnh điện .2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .3 Các mô hình giải thích cơ chế tạo dòng điện của TENG .1 Mô hình truyền điện tử .2 Mô hình truyền ion .3 Mô hình truyền vật chất.4 Các chế độ hoạt động của TENG .1 Chế độ tiếp xúc – tách rời.2 Chế độ trượt ngang .3 Chế độ điện cực đơn .4 Chế độ điện cực tự do .5 Sự lựa chọn vật liệu nâng cao hiệu quả phát điện và khả năng ứng dụng của TENG .1 Các loại vật liệu phổ biến cho TENG.2 Tái chế rác thải ứng dụng cho TENG .3 Biến tính hoá học bề mặt vật liệu ma sát .6 Các vi cấu trúc trên màng polyme nâng cao hiệu quả phát điện của TENG 33 2.1 Cấu trúc xốp .2 Cấu trúc convex micropattern .3 Cấu trúc lai (hybrid/dual structure) .7 Thiết kế thiết bị thu hồi năng lượng hiệu quả.8 Các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến khả năng phát điện .9 Các ứng dụng thực tế của TENG. 51 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM .1 Phương tiện nghiên cứu .2 Thiết bị nghiên cứu chế tạo vật liệu .2 Quy trình nghiên cứu thực nghiệm .3 Phương pháp phân tích cấu trúc, tính chất vật liệu .4 Phương pháp đo tính chất điện của TENG .1 Mô phỏng tính chất điện của TENG.2 Đo đạc tính chất điện của TENG. 73 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .1 Chế tạo màng cấu trúc honeycomb trật tự cao bằng phương pháp IPS và đánh giá khả năng phát điện .1 Sử dụng vật liệu PC phế thải .2 Sử dụng vật liệu PI nguyên sinh .3 Sử dụng vật liệu PVC phế thải .4 Đề xuất cơ chế giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành cấu trúc honeycomb bằng phương pháp IPS .5 Đề xuất cơ chế tăng cường tính chất điện của cấu trúc honeycomb .2 Chế tạo màng cấu trúc convex bằng phương pháp IPSµM và đánh giá khả năng phát điện.1 Sử dụng vật liệu PI .2 Sử dụng vật liệu PVDF.3 Đề xuất cơ chế tăng cường tính chất điện của cấu trúc convex .3 Chế tạo màng cấu trúc spongy s-PVDF bằng phương pháp IPS 01 giai đoạn và đánh giá khả năng phát điện .1 Ảnh hưởng của phi dung môi đến màng cấu trúc spongy s-PVDF .2 Ảnh hưởng của vi cấu trúc đến khả năng phát điện của TENG .3 Đề xuất cơ chế tăng cường tính chất điện của cấu trúc spongy .4 Chế tạo màng cấu trúc lai convex-spongy PVDF bằng phương pháp IPSµM 02 giai đoạn và đánh giá khả năng phát điện.1 Mô phỏng ảnh hưởng của các vi cấu trúc đến điện thế bề mặt .2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc convex-spongy PVDF .3 Các quá trình tạo thành cấu trúc convex-spongy PVDF .4 Tính chất điện của convex-spongy PVDF .5 Đề xuất cơ chế tăng cường tính chất điện của convex-spongy PVDF .6 So sánh khả năng tăng cường khả năng phát điện của các loại cấu trúc và vật liệu khác nhau. 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

140 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 155 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Hình ảnh thực tế cấu trúc xốp honeycomb, aerogel, nanofiber mats và khả năng tăng cường hiệu điện thế của các loại cấu trúc xốp .