研究背景
TENG在过去十年中被广泛研究用于能量收集和自供电电子设备，然而使用TENG作为可持续电源仍然具有挑战性。通过摩擦电序列来选择具有较大电子亲和力差异的摩擦层是开发具有优异电性能的TENG的有效策略。除了多种摩擦材料对的选择，通过表面改性和嵌入微纳米填料也是开发具有较大电子亲和力的常见方法。
文章概述
最近，压电活性材料和三元材料的耦合已成为开发高性能混合纳米发电机(HNG)的有效技术。本文报道了通过常规静电纺丝制备压电活性聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)/MXene 基杂化复合纤维的研究。分析了MXene含量(1-5%)对合成复合材料的表面电位和电性能的影响。研究表明PVDF-HFP/3% MXene(PHM3)/尼龙12+A-rGo (NY2)-HNG 是性能最佳的复合材料(PMH3;含有3%的MXene)，具有涡轮增压特性(在100秒内为10μF电容器充电至16V)，并且可以连续运行低功率电子设备。有趣的是，PHM3(具有负表面电位)也可以通过电晕极化转化为 PPHM3(具有+2190V的正表面电位)，在能量收集方面具有广阔的应用前景。
该成果以“Development of Turbocharging-Ability Hybrid Nanogenerators Comprising Bipolar PVDF-HFP/MXene Electrospun Composites”为题发表在权威期刊《Small》上。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202407001
图文导读
图1. a）静电纺丝制备 PVDF-HFP/MXene 复合材料的示意图。b） MXene 粉末的 SEM 和 EDS 结果。c–f）静电纺丝 PHM0、PHM1、PHM3 和 PHM5 的 SEM 图像以及插图中提供的相应高放大倍率图像。f*） PHM5 的元素映射。g） PVDF-HFP 及其复合静电纺丝样品的EDS 结果比较。
图 2. a，b）PHM0、PHM1、PHM3和PHM5的FTIR/ATR和XRD 结果。c）PHM0、PHM1、PHM3 和 PHM5 的压电系数（d33） 值。d） PHM0 和 e）PHM3 的介电常数和损耗。f）PHM0、PHM1、PHM3 和 PHM5（相对于 NY2）在 500 次接触分离循环后的表面静电荷。g）负材料 PVDF-HFP 及其复合材料和 h） 正 NY2 样品的电荷维持能力。
图 3. a）PHM3/NY2-HNG 的横截面图和 b）PHM3/NY2-HNG 的工作机制示意图。c-e）PHM0、PHM1、PHM3 和 PHM5 在 NY2 作为正极层时测量的 VOC、ISC 和 QS。f）将 PHM3/NY2-HNG 的性能（VOC 和 ISC）与其它文献进行比较。g）100kΩ-56GΩ的外部负载电阻对PHM3/NY2-HNG的影响。h）PHM3/NY2-HNG的瞬时功率密度。所有这些测量均使用频率为6Hz的5N负载。
图 4.a）用于能量收集应用的 PHM3/NY2-HNG 原理图。b）PHM3/NY2-HNG 的整流电压。c）使用 PHM3/NY2-HNG 作为电源为10-470µF的电容器充电。d）PHM3/NY2-HNG 在 100 秒内为10µF电容器充电所需的时间与文献中设备的比较。e）连接秒表和 f）计算器时 PHM3/NY2-HNG 的充电和放电行为。g）i）LED 照亮时的图像和 ii）PHM3/NY2-HNG 为秒表供电时的图像。计算器 iii）连接 PHM3/NY2-HNG 之前和 iv）连接 PHM3/NY2-HNG 之后的图像。
图 5.a）电晕极化的示意图。b）极化前后PHM3表面电位的比较。c） PPHM3表面电荷随时间变化。d）PHM3和e）基于PPHM3的纳米发电机的VOC 和 ISC。f）PHM3/NY2-HNG和PPHM3/NY2-HNG器件表面静电荷的比较。g），h）PHM3/PPHM3-HNG的VOC和ISC值。i）PHM和PPHM3摩擦层的表面静电势和 j）稳定性。
总结
本文首次报道了通过传统的静电纺丝技术制备具有高摩擦负电性的PVDF-HFP/MXene杂化复合材料。对合成的复合薄膜的形貌和结晶性能进行了系统的研究。以Nylon-12/ArGO(NY2)为正电层，研究并优化了MXene含量(1-5%)对所制备材料电性能的影响。最后，以未极化和极化的PVDF- HFP/MXene为摩擦层构建了HNG(PHM3/ PPHM3-HNG)，该器件的最大VOC和ISC值分别为297V和5.1µA。本研究报道的可同时作为正负摩阻层的双极材料(PVDF-HFP/MXene)的合成，这种独特的材料在能量收集领域具有很高的应用潜力。
编辑：王富贵儿 | 审核：树屋鼠
