Chương 1: TỔNG QUAN 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: 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 4 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. 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, 5 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 3.6 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 6 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]. Đề xuất nghiên cứu 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 7 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.
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).