福建理工大学黄岸教授ACS Nano：基于单层二元纤维纳米复合膜的多功能可穿戴混合压电和摩擦电纳米发电机
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阅读： 2024/1/18 11:24:17
随着可穿戴自供电电子设备领域的不断发展，为了实现实时健康检测和人机交互等应用，自供电压电纳米发电机在机电转换能力和实现稳定高输出性能方面仍面临挑战。
近日，福建理工大学材料科学与工程学院黄岸教授团队报告了一种在单层结构膜内实现同时压电和摩擦电转换的工作机制。研究发现通过共静电纺丝制备的单层二元纤维纳米复合膜（SBFNMs）表现出卓越的机电转换能力和电输出性能。
文章要点：
1．这项工作采用共静电纺丝技术制备了PVDF/CNTX@PAN/CNTX（DPCPCX）单层二元纤维纳米复合膜（SBFNMs），通过添加CNTs创建了PVDF@CNT和PAN@CNT纳米纤维相互搭接的纤维膜结构。
2. CNTs分别掺入二元纳米纤维中，提高了静电纺溶液的电荷密度和电导率，使分子链中的偶极子沿静电场力方向排列，增加了PVDF中活性极性β相和PAN中平面之字形构象的含量。此外，CNT充当了有效的电子受体和局部成核剂，提高了电子传递效率，减少了电荷损失，提高电输出性能。
3. 这项工作提出了一种在单层结构膜内实现同时压电和静电转换的工作机制。在频率为3.5 Hz和20 N正弦力刺激下，表现出输出电压为187 V，开路电流为8.0 μA，功率密度为1.52 W m-2的电输出性能。实现了较高的压电转换和膜内二元纤维之间的摩擦（接触-分离，滑移）产生摩擦电转换，规避了传统压电纳米发电机的缺点，特别是它们相对较低的电输出性能。
4. 基于DPCPC0.5-SBFNMs卓越的电输出能力，能够将来自人体不同部位运动的机械能转化为电信号。此外，DPCPC0.5-SBFNMs还可以作为电源为常见的电子设备，如LED、电容器、计算器供电，并展示了在医疗治疗、消防和监测方面作为警报器的实用性，显示了其在可穿戴自供电电子设备中广泛的应用潜力。
图1 单层二元纤维纳米复合膜DPCPC0.5-SBFNMs的形貌、元素、结晶及介电性能.
图2 (a) 基于DPCPC0.5-SBFNMs的TPENGs的制备、工作及机理图。
图3 DPCPC0.5-SBFNMs纳米发电机的输出电压和电流及过程模拟。
图4 基于DPCPC0.5-SBFNMs的TPENGs的输出电压、功率密度、稳定和耐久性及对电容器和计算器供电。
图5 DPCPC0.5-SBFNMs压电纳米发电机的应用。
该研究提出的设计和加工策略为外部能量收集以及自供电织物和可穿戴自供电电子设备的发展提供了有前景的材料和结构途径。
相关研究成果以“Improved energy harvesting ability of single-layer binary fiber nanocomposite membrane for multifunctional wearable hybrid piezoelectric and triboelectric nanogenerator and self-powered sensors”为题发表在国际著名材料类顶级期刊《ACS Nano》（IF:17.1）上。该论文的第一署名单位为福建理工大学材料科学与工程学院，黄岸教授为第一作者，硕士研究生朱怡薇为第二作者，黄岸教授和材料学院彭响方教授为本论文的共同通讯作者。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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