煤炭和石油等非可再生能源的消耗日益增加，使得世界范围内的能源危机加剧。随着越来越多的“绿色”理念以及可持续发展的策略推行，使得加速利用海洋能、风能以及环境中的可再生能源变得更加紧迫。水覆盖了超过70%的地球表面，它不仅承载着生命，还蕴藏着庞大的能量。水能有多种表现形式，包括化学能、热能和动能等。其中水的化学能用途广泛，例如电解水制氢和光催化。热能则常被用来发电。水动能是一种目前利用最为广泛、经济价值最高、分布广的水能资源。长久以来对水能资源的利用存在着经济成本和实用效应的限制，阻碍了人们对新型能源开发的脚步。新兴的摩擦纳米发电技术由于结构简单、材料来源广以及环境的适应性强等优点为可再生能源的利用提供了新的思路。

摩擦纳米发电机（TENG）是利用摩擦发电及静电感应的原理，将机械能转换成电信号输出，实现环境中随机散落低频机械能的采集。液固摩擦纳米发电技术因其可以收集环境中液滴和波浪等自然界的蓝色能源，吸引了研究者广泛的关注。但是液固摩擦纳米发电机固有转化效率低的问题阻碍了其实际应用的发展。针对这一问题，本文充分研究了液固接触表面摩擦电荷的产生和转移，通过物理掺杂的简单方式，改善了摩擦层电荷密度低、电荷转移速度慢的问题，同时开发了中间层结构来提升摩擦层电荷的存储深度和转移速率。研究内容主要包括以下三个部分：

（1）基于对液固接触起电机理的理解，通过利用MXene搭配SiO₂掺杂改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）。利用全氟硅烷预先对SiO₂氟化保证其疏水性能。改性过后的PDMS具有更高的电荷存储能力和更快的电荷转移效率。通过利用SEM等表面测试手段，判定了掺杂粒子在PDMS中的存在机制。红外、XPS等手段结果表明，物理掺杂过程中没有新化学键的产生，仅仅是物理交联。利用开路电压、短路电流等手段表征TENG的电输出能力。实验结果表明，由改性过后的PDMS薄膜组建的TENG具有更高的输出，电压输出提升了47.5倍。改性后的TENG可以满足小灯板正常工作的供电需求。同时还搭建了自供电阴极保护系统，表现出了液固摩擦纳米发电机绿色防腐的潜能。

（2）针对MXene容易氧化造成复合介电薄膜使用寿命短的问题，实验通过深入研究MXene的生长机制，利用MXene片层表面的高密度官能团，诱导ZIF-8生长在MXene表面片层作为MXene的抗氧化剂。ZIF-8可以隔绝空气中的水分和氧气与MXene接触从而阻断了MXene的氧化途径。将ZIF-8/MXene掺杂进入PDMS改性，改性后的PDMS组建的TENG具有更长的使用寿命和输出稳定性。

（3）通过金属的费米能级和能带图谱的探究设计了中间层结构。 以PTFE作为摩擦介电层。 BaTiO₃作为增强MXene的插层剂，降低了其容易堆叠造成漏电现象的机率，从而影响了介电层输出的特性。 通过BaTiO₃改性的MXene既保留了其优异的电负性和导电性，又减弱了其堆叠的可能性。 BaTiO₃/MXene薄膜作为中间层加入，增强了PTFE介电层电子的存储位点和转移速率。 通过中间层的加入，新型液固TENG具有更高的输出特性。 实验组建的自供电阴极保护系统具有更优秀的金属防腐功能。

第1章 绪论... 1

1.1 研究工作的背景与意义... 1

1.2  摩擦纳米发电机的基本原理... 2

1.2.1  摩擦纳米发电机的起源... 2

1.2.2  摩擦纳米发电机的理论基础... 2

1.2.3  摩擦纳米发电机的四种工作模式... 3

1.3  液固摩擦纳米发电机的研究... 4

1.3.1  液固摩擦纳米发电机的工作机制... 5

1.3.2  液固摩擦纳米发电机的研究现状... 8

1.4  论文选题目的与研究内容... 10

1.4.1  研究思路与选题目的... 10

1.4.2 研究课题... 10

第2章 基于MXene/SiO₂改性的摩擦纳米发电机腐蚀防护研究... 13

2.1 引言... 13

2.2  实验部分... 13

2.2.1  主要材料及试剂... 13

2.2.2  实验设备... 14

2.3  实验方法... 15

2.3.1  疏水性SiO₂的制备流程... 15

2.3.2  复合介电层的制备流程... 15

2.3.3 MXene/SiO₂@PDMS-TENG的组装...16

2.4  材料表征方法... 16

2.5  实验结果与分析... 18

2.5.1  MS@PDMS的形貌结构分析... 18

2.5.2 MS-TENG 的工作原理... 22

2.5.3 MS-TENG的输出性能测试...24

2.5 MS-TENG的应用27

2.6  本章小结... 29

第3章 基于ZIF-8/MXene修饰的长效稳定摩擦纳米发电机腐蚀防护研究    31

3.1 引言... 31

3.2  实验部分... 31

3.2.1实验材料与试剂... 31

3.2.2  实验设备... 32

3.3  实验方法... 32

3.3.1  沸石咪唑盐酸骨架ZIF-8制备... 32

3.3.2 ZIF-8/MXene混合溶液制备...33

3.3.3  ZIF-8/MXene@PDMS薄膜的合成... 33

3.3.4 ZIF-8/MXene@PDMS-TENG的组装...34

3.4 实验结果与分析... 34

3.4.1  ZIF-8/MXene@PDMS的形貌结构分析... 34

3.4.2 ZIF-8/MXene@PDMS-TENG 37的输出特性

3.4.3  ZM-TENG在小型电子设备上的应用... 44

3.5  ZM-TENG在阴极保护上的应用... 45

3.6  本章小结... 47

第4章 利用中间层结构增强液固摩擦纳米发电机腐蚀防护研究... 49

4.1 引言... 49

4.2  实验部分... 50

4.2.1  实验材料与试剂... 50

4.2.2  实验仪器与设备... 50

4.3  实验方法... 50

4.3.1  BaTiO₃/MXene中间层制备... 50

4.3.2  BM-TENG的设计... 51

4.3.3  实验测试与表征... 51

4.4  实验结果与分析... 52

4.4.1 BaTiO₃/MXene中间层材料的形貌瞄分析... 52

4.4.2 BM-TENG的输出特性...54

4.4.3  BM-TENG在小型电子器件上的应用... 60

4.5  BM-TENG在阴极保护上的应用... 61

4.6  本章小结... 62

第5章 研究结论与展望... 65

5.1 总结... 65

5.2  创新点... 65

5.3  展望... 66

参考资料... 67

致  谢... 75

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果... 77