MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Trong xã hội hiện đại ngày nay, một trong những vấn đề nhức nhối thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên toàn thế giới là vấn đề an ninh năng lượng. Một trong những công nghệ hiện đại, tiên tiến nhất có thể thu hồi chuyển hoá năng lượng xanh từ các nguồn năng lượng cơ học từ thiên nhiên (như gió, sóng biển, mưa rơi…) là công nghệ điện ma sát dựa trên sự kết hợp giữa hiệu ứng điện ma sát và cảm ứng tĩnh điện. Thiết bị phát điện nano ma sát (triboelectric nanogenerator - TENG) được phát minh vào năm 2012 bởi GS. Zhong Lin Wang [1].
TENG có rất nhiều ưu điểm, bao gồm nguồn vật liệu sử dụng đa dạng và rộng rãi, trọng lượng nhẹ, giá thành thấp, hiệu quả phát điện cao dù ở tần số hoạt động thấp [2–4]. Nhờ vào các ưu điểm của TENG, tiềm năng của chúng được chứng minh qua các hệ thống tự cấp nguồn cho các thiết bị điện tử nhỏ như một hệ thống các vi nguồn (micro/nano sources), và các cảm biến trong các lĩnh vực khác nhau [5]. Tuy nhiên, TENG vẫn còn một số hạn chế như mật độ công suất chưa cao, giới hạn khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế. Cho đến nay, TENG được nghiên cứu trên quy mô toàn cầu với ba hướng cơ bản nhằm tối ưu hóa điện thế đầu ra và mở rộng ứng dụng tiềm năng của chúng bao gồm lựa chọn vật liệu ma sát [6], biến tính cấu trúc [7] và tối ưu thiết kế [8].
Trong đó, từ các nghiên cứu đã được công bố trên thế giới, có thể nhận thấy các màng ma sát vi cấu trúc micro, nano có khả năng tăng cường hiệu điện thế hiệu quả nhất với các công nghệ tiên tiến, hiện đại nhằm cải thiện dòng điện đầu ra của TENG và tích hợp thành TENG “đa chức năng”, hướng đến khả năng ứng dụng thực tế trong cuộc sống con người. Mỗi cấu trúc đều có những ưu và nhược điểm riêng, gắn liền với những ứng dụng thực tế riêng của chúng. Ví dụ, cấu trúc xốp có thể tăng diện tích bề mặt riêng, cải thiện tính chất điện môi hiệu dụng, dễ thay đổi thể tích nên tăng cường momen lưỡng cực bề mặt, và trữ điện tích bên trong lỗ xốp như “hồ trữ điện” [8, 9] nhưng có nhược điểm dễ bị hư mòn, cơ tính kém, độ bền kém, cấu trúc dễ bị phá huỷ. Vi cấu trúc bề mặt (micropattern) nâng cao diện tích bề mặt ma sát hiệu dụng, tăng khả năng truyền điện tích (charge transfer) [7], tăng tính kỵ nước [11], tăng momen lưỡng cực cho màng ma sát [12, 13], 1 tăng khả năng biến dạng của vùng tiếp xúc nhưng hiệu ứng trữ điện tích và cảm ứng tĩnh điện kém hơn màng xốp, dễ bị thất thoát điện tích.
Các cấu trúc tiên tiến hơn như cấu trúc Janus, cấu trúc đối nghịch, cấu trúc phân cấp gặp các giới hạn về máy móc, trang thiết bị, nguyên vật liệu đắt tiền, quy trình chế tạo phức tạp, khó mở rộng quy mô sản xuất. Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu nào khảo sát hệ thống ảnh hưởng đặc điểm của vi cấu trúc đến khả năng phát điện của TENG. Mặc dù đã tồn tại các phương pháp để chế tạo các loại vi cấu trúc khác nhau nhưng mỗi phương pháp đều có những mặt hạn chế riêng như lithography yêu cầu máy móc đắt tiền, kích thước nhỏ, thời gian chế tạo dài; Breath Figure yêu cầu điều khiển độ ẩm khắt khe, khó mở rộng quy mô; phương pháp phân pha truyền thống khó kiểm soát được vi cấu trúc như mong muốn,… Do đó, nhằm tiếp thu, kế thừa và phát triển các nghiên cứu hiện thời của thế giới, luận án này nghiên cứu khảo sát và chế tạo các vi cấu trúc mới trên các vật liệu ma sát khác nhau bằng các phương pháp chế tạo đơn giản, dễ thực hiện và có khả năng mở rộng quy mô sản xuất. Từ đó thiết kế một số ứng dụng tiềm năng có thể chế tạo và lắp đặt được tại phòng lab và tại Việt Nam.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.1 Mục tiêu tổng quát Chế tạo thành công màng vi cấu trúc cho TENG hiệu năng cao, và phát triển các ứng dụng của TENG trong thực tế.2 Mục tiêu cụ thể • Tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu phế thải chế tạo thành công các màng vi cấu trúc honeycomb trật tự cao, vừa có khả năng phát điện tốt, vừa có thể làm khuôn mẫu, có giá trị sử dụng cao theo hướng kinh tế tuần hoàn, giảm ô nhiễm môi trường; • Chế tạo thành công màng vi cấu trúc convex dựa trên khuôn lõm trật tự cao và màng vi cấu trúc xốp spongy, có khả năng phát điện tốt, và làm tiền đề cho loại cấu trúc mới; • Chế tạo thành công màng lai convex-spongy có hiệu quả cao nhất cho TENG hiệu năng cao; • Thiết kế và chế tạo thành công một số ứng dụng thực tế dựa trên TENG.3 Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đề ra, nghiên cứu này được chia thành 04 nội dung chính: • Nội dung 1: Chế tạo và khảo sát các thông số ảnh hưởng đến màng honeycomb trật tự cao bằng phương pháp IPS, đánh giá tính chất và khả năng phát điện của màng, chế tạo thiết bị thu năng lượng từ các màng honeycomb.1 Khảo sát chế tạo màng cấu trúc honeycomb polycarbonate (hc-PC) dưới ảnh hưởng của điều kiện chế tạo: nồng độ dung dịch PC, hàm lượng methanol (MeOH), nhiệt độ, độ ẩm và vật liệu đế; Ứng dụng làm thiết bị thu năng lượng giọt nước rơi R- TENG (TENG-based raindrop energy harvestor) và làm khuôn chế tạo màng convex PDMS (c-PDMS) và convex TPU (c-TPU) cho cảm biến chuyển động ngón tay FD- TENG (TENG-based finger motion detection sensor); 1.2 Khảo sát chế tạo màng cấu trúc honeycomb polyimide (hc-PI) dưới ảnh hưởng của điều kiện chế tạo: nồng độ dung dịch PI và hàm lượng MeOH; Ứng dụng chế tạo thiết bị thu năng lượng dao động trên đầu xe ô tô V-TENG (TENG-based vibration energy harvestor) và làm khuôn chế tạo màng convex PVDF (c-PVDF); 1.3 Khảo sát chế tạo màng cấu trúc honeycomb polyvinyl chloride (hc-PVC) dưới ảnh hưởng của hàm lượng MeOH; Ứng dụng chế tạo thiết bị thu năng lượng sóng biển O- TENG (TENG-based ocean wave energy harvestor) và làm khuôn chế tạo màng convex PI (c-PI).
• Nội dung 2: Chế tạo và khảo sát các thông số ảnh hưởng đến màng convex trên khuôn honeycomb trật tự cao, đánh giá tính chất và khả năng phát điện của màng, chế tạo thiết bị thu năng lượng từ các màng convex.1 Khảo sát chế tạo màng cấu trúc c-PI dưới ảnh hưởng của khuôn hc-PVC chế tạo ở các hàm lượng MeOH khác nhau; Ứng dụng chế tạo thiết bị thu năng lượng gió W- TENG (TENG-based winde energy harvestor); 2.2 Khảo sát chế tạo màng cấu trúc c-PVDF dưới ảnh hưởng của nồng độ dung dịch PVDF. • Nội dung 3: Chế tạo và khảo sát các thông số ảnh hưởng đến màng xốp spongy, đánh giá tính chất và khả năng phát điện của màng. 3 Khảo sát chế tạo màng cấu trúc s-PVDF dưới ảnh hưởng của phi dung môi. • Nội dung 4: Chế tạo và khảo sát các thông số ảnh hưởng đến màng lai sử dụng phương pháp IPSµM, đánh giá tính chất và khả năng phát điện của màng.
Khảo sát chế tạo màng cấu trúc cs-PVDF dưới ảnh hưởng của nồng độ dung dịch ba cấu tử PVDF trong acetone/nước và tốc độ spin-coating.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: • Vật liệu: Polycarbonate (PC) từ tấm chắn sáng phế thải, polyimide (PI), polyvinyl chloride (PVC) từ màng bọc thực phẩm, poly(vinylidene fluoride-co- hexafluoropropylene) (PVDF-co-HFP); • Vi cấu trúc chế tạo: Cấu trúc honeycomb, cấu trúc convex, cấu trúc xốp spongy, cấu trúc lai convex-spongy; Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo, đánh giá hình thái bề mặt, khả năng phát điện, cơ chế hình thành màng và cơ chế tăng cường hiệu quả phát điện của các vi cấu trúc, ứng dụng màng vi cấu trúc vào các mô hình thu năng lượng trong thực tế.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Hiện trạng khủng hoảng năng lượng toàn cầu đang là vấn đề vô cùng nhức nhối được giới khoa học đặc biệt quan tâm và nghiên cứu. Thiết bị phát điện ma sát TENG xuất hiện như một hướng đi hoàn toàn mới với tiềm năng thực hiện ước mơ biến chuyển động hằng ngày của con người hoặc năng lượng gió, sóng biển vô tận thành điện năng sử dụng được, giảm thiểu sự khai thác quá mức của nhiên liệu hoá thạch truyền thống. TENG đặc biệt được quan tâm và phát triển mạnh mẽ trong 10 năm trở lại đây với các nghiên cứu được công bố trên tạp chí uy tín thế giới, nhưng vẫn chưa có nhóm nhà nghiên cứu nào thực hiện toàn bộ nghiên cứu về TENG ở Việt Nam. Thiết bị phát điện nano ma sát TENG hiệu năng cao hứa hẹn sẽ được ứng dụng làm các thiết bị thu hồi chuyển hoá năng lượng, đưa giấc mơ tái tạo năng lượng sóng và gió vô tận thành điện năng, sử dụng các thiết bị thông minh không cần pin truyền thống, giải quyết vấn đề năng lượng toàn cầu.
4 Định hướng nghiên cứu của đề tài được Thủ tướng Chính phủ nhắc đến trong quyết định số 2133/QĐ–TTG về việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ liên quan đến 07 hướng khoa học và công nghệ mũi nhọn, trọng điểm có ý nghĩa quyết định đối với sự phát triển kinh tế – xã hội của quốc gia như: Khoa học và công nghệ micro và nano, khoa học vật liệu hướng tới sự phát triển năng lượng xanh trong lĩnh vực Khoa học Vật liệu; Nghiên cứu công nghệ sạch, công nghệ tái chế, tái sử dụng chất thải và Nghiên cứu phát triển công nghệ năng lượng mới, năng lượng tái tạo, năng lượng sinh học trong lĩnh vực Môi trường và Năng lượng.6 Đóng góp của luận án Luận án đã khảo sát hệ thống ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng tạo cấu trúc honeycomb bằng phương pháp phân pha nâng cao IPS, đặc biệt trên loại nhựa phế thải. Đồng thời, luận án cũng đề xuất và khảo sát chế tạo thành công màng vi cấu trúc spongy, cấu trúc convex và cấu trúc lai convex-spongy bằng phương pháp IPS micromolding. Bên cạnh đó, với các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến vi cấu trúc, luận án đã chứng minh được các vi cấu trúc đồng đều, trật tự có khả năng tăng cường hiệu quả phát điện tốt nhất, đề xuất cơ chế tăng cường hiệu điện thế đầu ra của các vi cấu trúc, đặc biệt là cấu trúc lai convex-spongy.