Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của Internet vạn vật (IoT), nhu cầu cung cấp năng lượng cho các thiết bị cảm biến và điện tử di động ngày càng tăng cao. Theo báo cáo của ngành, việc cung cấp năng lượng cho hàng tỷ thiết bị này đang là thách thức lớn do các nguồn năng lượng truyền thống như pin và tụ điện chứa kim loại nặng, dung môi độc hại và không bền vững trong môi trường khắc nghiệt. Thiết bị phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator - TENG) nổi lên như một công nghệ thu hồi năng lượng xanh hiệu quả, có khả năng chuyển đổi năng lượng cơ học từ môi trường thành điện năng, phục vụ cho các thiết bị công suất nhỏ trong IoT.

Tuy nhiên, các vật liệu polyme mềm dẻo truyền thống dùng trong TENG thường có tính chất cơ lý và độ bền nhiệt kém, hạn chế ứng dụng trong môi trường nhiệt độ cao hoặc điều kiện khắc nghiệt. Nghiên cứu này tập trung chế tạo vật liệu polyimide (PI) cấu trúc xốp liên tục, một loại polyme nhiệt dẻo có tính chịu nhiệt và cơ lý vượt trội, nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị TENG. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2023, với mục tiêu phát triển màng xốp PI bằng hai phương pháp chế tạo mới, đồng thời thiết kế và đánh giá thiết bị TENG ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nguồn năng lượng xanh, bền vững, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của các cảm biến tự cấp nguồn và thiết bị điện tử trong các lĩnh vực công nghiệp, an ninh cháy nổ và giám sát môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy thiết bị TENG sử dụng màng xốp PI kết hợp với vật liệu ma sát dương chitosan cấu trúc hạt vi mô (mb-CS) có mật độ công suất tăng đến 225 lần so với TENG dùng màng PI phẳng, đồng thời duy trì độ ổn định hoạt động trên 10.000 chu kỳ và chịu được nhiệt độ lên đến 200 °C.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hiện tượng ma sát điện và cảm ứng tĩnh điện: Giải thích cơ chế tạo điện tích trên bề mặt vật liệu khi tiếp xúc và tách rời, dựa trên sự truyền điện tử giữa các nguyên tử trong vật liệu, tạo ra điện tích tĩnh trên bề mặt.

  • Nguyên lý hoạt động của thiết bị nano ma sát (TENG): Mô hình lý thuyết mô tả mối quan hệ giữa hiệu điện thế (V), lượng điện tích truyền (Q) và khoảng cách tách (x) giữa hai lớp vật liệu ma sát, dựa trên dòng điện dịch chuyển của Maxwell và hiệu ứng cảm ứng tĩnh điện.

  • Các chế độ hoạt động của TENG: Bao gồm chế độ phân tách – tiếp xúc, trượt ngang, điện cực đơn và điện cực tự do, mỗi chế độ có ưu nhược điểm riêng về hiệu suất và độ bền.

  • Phương pháp cải thiện hiệu quả phát điện của TENG: Tập trung vào lựa chọn vật liệu ma sát có sự khác biệt lớn về ái lực electron, biến tính cấu trúc bề mặt để tăng diện tích tiếp xúc hiệu dụng, và tối ưu hóa thiết kế thiết bị để tăng mật độ công suất.

  • Vật liệu polyme xốp ứng dụng trong TENG: Cấu trúc xốp giúp tăng diện tích bề mặt, giữ điện tích ma sát hiệu quả, đồng thời cải thiện tính linh hoạt và độ bền nhiệt của vật liệu. Các loại cấu trúc xốp được phân loại theo kích thước lỗ xốp từ micropores đến macropores, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất phát điện.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng vật liệu polyimide tiền chất hòa tan trong dung môi hữu cơ, kết hợp với các vật liệu hỗ trợ như poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF) và chitosan để chế tạo màng xốp và vật liệu ma sát dương.

  • Phương pháp chế tạo màng xốp PI:

    • Phương pháp hòa tan đối nghịch (antagonistic solubility): Sử dụng màng PVDF cấu trúc xốp làm khuôn mẫu hi sinh, điền đầy dung dịch PI, sau đó loại bỏ PVDF bằng dung môi acetone để thu được màng xốp PI liên tục.
    • Phương pháp phân pha gây ra bởi phi dung môi (NIPS): Chuẩn bị dung dịch PI trong dung môi hữu cơ, thêm từ từ phi dung môi methanol để tạo kết tủa, sau đó phủ dung dịch lên đế Teflon và để bay hơi dung môi tự nhiên để hình thành màng xốp.

  • Chế tạo vật liệu ma sát dương mb-CS: Sử dụng phương pháp đúc khuôn vi mô dựa trên màng polystyrene xốp (hc-PS) tái chế làm khuôn mẫu, tạo vật liệu chitosan có cấu trúc hạt vi mô.

  • Thiết kế và chế tạo thiết bị TENG: Thiết bị hoạt động theo chế độ tiếp xúc – tách rời, sử dụng màng xốp PI làm vật liệu ma sát âm và mb-CS làm vật liệu ma sát dương. Thiết bị được đánh giá khả năng phát điện qua các thông số điện áp mạch hở (VOC), dòng điện ngắn mạch (ISC), mật độ công suất và độ bền hoạt động.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), đo góc tiếp xúc nước (WCA), mô phỏng điện trường bằng phần mềm COMSOL để khảo sát cấu trúc, tính chất vật liệu và hiệu suất thiết bị.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2023, bao gồm các giai đoạn chế tạo vật liệu, thiết kế thiết bị, đánh giá hiệu suất và ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo màng xốp PI bằng phương pháp hòa tan đối nghịch: Màng ip-PI có cấu trúc xốp liên tục với kích thước lỗ xốp đồng đều, độ dày khoảng 25-50 µm. Màng ip-PI50 (dùng PVDF 400 ở nồng độ 50 mg/mL làm khuôn) cho thấy độ bền cơ học và tính linh hoạt cao, chịu được gập và cuộn xoắn. Độ ổn định nhiệt của màng ip-PI lên đến 200 °C, duy trì cấu trúc xốp sau 2 giờ nung.

  2. Chế tạo màng xốp PI bằng phương pháp NIPS: Màng p-PI được điều khiển cấu trúc xốp qua nồng độ polyme và tỷ lệ dung môi:phi dung môi. Màng p-PI8 (8 wt.% PI) với tỷ lệ dung môi:phi dung môi 85:15 tạo ra cấu trúc xốp bọt biển liên tục, có độ xốp cao và tính linh hoạt tốt.

  3. Hiệu suất phát điện của thiết bị TENG: Thiết bị TENG sử dụng màng xốp ip-PI50 kết hợp với mb-CS đạt mật độ công suất tăng đến 225 lần so với TENG dùng màng PI phẳng (f-PI). Cụ thể, VOC đạt trên 200 V và ISC lên đến hàng chục µA/cm². Thiết bị duy trì hiệu suất ổn định qua hơn 10.000 chu kỳ tiếp xúc-tách rời.

  4. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường: Thiết bị TENG dựa trên màng xốp PI hoạt động ổn định trong khoảng nhiệt độ từ 30 đến 200 °C và độ ẩm từ 30% đến 80% RH. Hiệu suất giảm nhẹ ở độ ẩm cao do ảnh hưởng của hơi nước nhưng vẫn duy trì khả năng phát điện đáng kể.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy màng xốp PI với cấu trúc lỗ xốp liên tục tạo ra diện tích bề mặt ma sát hiệu dụng lớn hơn nhiều so với màng phẳng, từ đó tăng mật độ điện tích ma sát và hiệu suất phát điện của TENG. Cấu trúc xốp cũng giúp giữ lại điện tích trên bề mặt, hạn chế sự phân tán điện tích, đồng thời tạo ra các vùng lưu trữ điện tích (trapping sites) giúp duy trì hiệu suất lâu dài.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng màng PI phẳng hoặc aerogel PI, màng xốp ip-PI có ưu điểm vượt trội về độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt, phù hợp cho ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt. Mô phỏng COMSOL minh họa sự phân bố điện thế tĩnh điện đồng đều và tăng cường trong cấu trúc xốp, phù hợp với kết quả thực nghiệm.

Việc kết hợp vật liệu ma sát dương mb-CS cấu trúc hạt vi mô giúp tăng hiệu quả truyền điện tích, nâng cao hiệu suất phát điện tổng thể. Thiết bị TENG được thiết kế lấy cảm hứng từ cấu trúc con nhện (Spi-TENG) cho phép cảm nhận rung động cơ học hiệu quả, ứng dụng trong cảm biến theo dõi tình trạng động cơ và hệ thống cảnh báo cháy rừng tự cấp nguồn.

Các biểu đồ so sánh VOC, ISC và mật độ công suất giữa các mẫu TENG cho thấy sự cải thiện rõ rệt khi sử dụng màng xốp PI và mb-CS, đồng thời biểu đồ độ bền hoạt động qua chu kỳ khẳng định tính ổn định của thiết bị. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu xốp và thiết bị TENG chịu nhiệt, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng trong công nghiệp và môi trường khắc nghiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình sản xuất màng xốp PI quy mô lớn: Áp dụng phương pháp hòa tan đối nghịch và phân pha NIPS với kiểm soát chặt chẽ các thông số chế tạo để sản xuất màng xốp PI đồng nhất, ổn định về cấu trúc và tính chất cơ lý. Mục tiêu đạt sản lượng hàng trăm mét vuông mỗi tháng, phục vụ cho sản xuất thiết bị TENG công nghiệp.

  2. Tối ưu hóa thiết kế thiết bị TENG đa lớp và module hóa: Thiết kế các module TENG nhiều lớp chồng lên nhau để tăng mật độ công suất trên diện tích nhỏ, đồng thời dễ dàng tích hợp vào các hệ thống cảm biến và thiết bị điện tử di động. Thời gian thực hiện trong 12 tháng, phối hợp giữa nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Phát triển hệ thống cảm biến tự cấp nguồn cho môi trường khắc nghiệt: Ứng dụng TENG cấu trúc xốp PI trong các cảm biến theo dõi rung động máy móc, cảm biến nhiệt độ và hệ thống cảnh báo cháy rừng tự cấp nguồn, giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng độ tin cậy. Thử nghiệm thực tế tại các khu công nghiệp và vùng rừng trong vòng 6-9 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng vật liệu ma sát dương thân thiện môi trường: Khai thác các vật liệu sinh học như chitosan và các polyme tự nhiên khác để thay thế vật liệu dương truyền thống, nâng cao tính bền vững và khả năng phân hủy sinh học của thiết bị TENG. Thời gian nghiên cứu 18 tháng, kết hợp với các phòng thí nghiệm vật liệu sinh học.

  5. Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá hiệu suất và độ bền của TENG trong môi trường thực tế: Thiết lập các chỉ số kỹ thuật chuẩn cho TENG hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao, độ ẩm lớn và môi trường khắc nghiệt khác, làm cơ sở cho việc thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi. Thực hiện song song với các dự án phát triển sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Vật liệu và Công nghệ Nano: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về chế tạo vật liệu polyme xốp, phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu, cũng như ứng dụng trong thiết bị phát điện nano ma sát.

  2. Doanh nghiệp và kỹ sư phát triển thiết bị IoT và cảm biến tự cấp nguồn: Thông tin về thiết kế và chế tạo TENG hiệu suất cao, bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt giúp phát triển sản phẩm năng lượng xanh, giảm chi phí bảo trì và tăng tính ổn định.

  3. Chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và thu hồi năng lượng cơ học: Nghiên cứu cung cấp giải pháp vật liệu và thiết kế thiết bị TENG mới, góp phần nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng từ các nguồn cơ học không ổn định như rung động, gió, sóng biển.

  4. Cơ quan quản lý và tổ chức nghiên cứu về an toàn cháy nổ và môi trường: Luận văn trình bày ứng dụng TENG trong hệ thống cảnh báo cháy rừng tự cấp nguồn, giúp phát triển các giải pháp giám sát an toàn hiệu quả, thân thiện môi trường và chi phí thấp.

Câu hỏi thường gặp

  1. TENG là gì và tại sao lại quan trọng trong IoT?
    TENG là thiết bị phát điện nano ma sát, chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng. Nó quan trọng trong IoT vì cung cấp nguồn năng lượng xanh, tự cấp cho các cảm biến và thiết bị di động, giảm phụ thuộc vào pin truyền thống và tăng tính bền vững.

  2. Vật liệu polyimide xốp có ưu điểm gì so với polyme phẳng?
    Màng polyimide xốp có diện tích bề mặt lớn hơn, giữ điện tích hiệu quả hơn, tăng mật độ công suất phát điện của TENG lên đến 225 lần so với màng phẳng. Ngoài ra, nó có độ bền cơ học và chịu nhiệt cao, phù hợp với môi trường khắc nghiệt.

  3. Phương pháp hòa tan đối nghịch và NIPS khác nhau như thế nào?
    Phương pháp hòa tan đối nghịch sử dụng màng PVDF xốp làm khuôn mẫu hi sinh để tạo cấu trúc xốp liên tục cho PI, trong khi NIPS dựa trên phân pha dung dịch polyme khi thêm phi dung môi, tạo màng xốp qua quá trình bay hơi dung môi. Cả hai đều đơn giản, chi phí thấp và có thể mở rộng sản xuất.

  4. Thiết bị TENG có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    TENG có thể ứng dụng trong cảm biến tự cấp nguồn, giám sát rung động máy móc, hệ thống cảnh báo cháy rừng, thu hồi năng lượng từ gió, sóng biển, chuyển động con người và các thiết bị điện tử di động công suất nhỏ.

  5. Độ bền và khả năng hoạt động của TENG trong môi trường khắc nghiệt ra sao?
    Thiết bị TENG dựa trên màng xốp PI duy trì hoạt động ổn định trên 10.000 chu kỳ tiếp xúc-tách rời, chịu được nhiệt độ lên đến 200 °C và độ ẩm cao đến 80% RH, phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường công nghiệp và tự nhiên khắc nghiệt.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công hai phương pháp chế tạo màng polyimide cấu trúc xốp liên tục với khả năng sản xuất quy mô lớn và chi phí thấp.
  • Thiết bị TENG sử dụng màng xốp PI kết hợp với vật liệu ma sát dương mb-CS đạt mật độ công suất tăng đến 225 lần so với màng phẳng, đồng thời có độ bền và khả năng chịu nhiệt vượt trội.
  • Thiết bị TENG hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ cao (đến 200 °C) và độ ẩm lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong công nghiệp và môi trường khắc nghiệt.
  • Ứng dụng thực tế bao gồm cảm biến rung động máy móc và hệ thống cảnh báo cháy rừng tự cấp nguồn, góp phần phát triển năng lượng xanh và an toàn môi trường.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và phát triển sản phẩm TENG đa lớp, hệ thống cảm biến tự cấp nguồn và tiêu chuẩn đánh giá hiệu suất để thúc đẩy thương mại hóa trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên hợp tác để triển khai sản xuất quy mô lớn màng xốp PI và thiết bị TENG, đồng thời thử nghiệm ứng dụng trong các môi trường thực tế nhằm thúc đẩy công nghệ phát điện nano ma sát tại Việt Nam và quốc tế.