DOI:10.1016/j.cej.2020.124205

可将机械能转换为电能的高性能柔性压电纳米发电机（PNG）是发展自供电可穿戴电子器件的关键。本文提出了一种用于高性能PNG的柔性有机聚吡咯（PPy）电极、电纺聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维和电喷涂CsPbBr3@PVDF微球的三维多层组装，其中，在顶部/底部PPy电极和PVDF纳米纤维层之间分别插入两层CsPbBr3@PVDF微球。以FeCl3为氧化剂，通过吡咯单体在电纺PVDF纳米纤维表面的气相聚合制备了PPy电极。对于活性压电层，PVDF纳米纤维和CsPbBr3@PVDF微球均具有较高的β晶相含量，分别为83.5%和94%，这有助于提供良好的极化响应。此外，球形CsPbBr3@PVDF粒子的引入也促进了压电层的应力激励，从而提高了输出性能和灵敏度。压电测试结果表明，基于三维多层纳米颗粒的PNG具有10.3 V的高开路电压和1.29μA/cm2的短路电流密度，并且可以检测到低至7.4 Pa的低压。另外，基于PNG的织物还表现出通过热电效应从温度波动中获取能量的出色能力。在电纺PVDF 纳米纤维膜中嵌入球状粒子的结构化方法，为制备高输出PNG提供了可行性。

图1.（a）分别由PPy/PVDF纳米纤维膜（层Ⅰ），CsPbBr3@PVDF珠（层Ⅱ）和纯PVDF纳米纤维膜（层Ⅲ）构成的3D多层纳米纤维膜的示意图。（b）3D多层纳米纤维膜的横截面SEM图像。（c，d）具有不同放大倍数的PPy/PVDF纳米纤维膜（第Ⅰ层）的SEM图像。插图是纤维直径分布的相应直方图。（e）纯PVDF纳米纤维膜的SEM图像（第三层）。插图是纤维直径分布的相应直方图。（f，g）不同放大倍数的CsPbBr3@PVDF微球（第Ⅱ层）的SEM图像。插图是微球直径分布的相应直方图。

图2.（a）CsPbBr3@PVDF微球的HAADF-STEM图像和相应的EDS元素图。（b）超薄切片CsPbBr3@PVDF微球的TEM图像。插图是PVDF微球中CsPbBr3大小分布的直方图。（c）CsPbBr3纳米晶体和CsPbBr3@PVDF微球的XRD图谱。（d）CsPbBr3@PVDF微球的PL光谱。插图是在紫外线下在铝箔上电喷涂的CsPbBr3@PVDF微球的光学图像。

图3.（a）PVDF浇铸膜、PVDF微球、CsPbBr3@PVDF微球、PVDF纳米纤维膜和PPy/PVDF纳米纤维膜的FTIR光谱。（b）PVDF/FeCl3纳米纤维膜和PPy/PVDF纳米纤维膜的光学图像。（c）CsPbBr3、PVDF浇铸膜、PVDF微球，CsPbBr3@PVDF微球和PVDF纳米纤维膜的XRD图谱。（d）3D多层纳米纤维膜和三层纳米纤维膜的具体应力-应变曲线。

图4.正向连接（a）和反向连接（b）的示意图。当施加的压力为1 kPa和6 kPa时，3D多层纳米纤维膜在正向连接（c，d）和反向连接（e，f）下分别生成的开路输出电压（Voc）和短路电流（Isc）。

图5.（a，b）在施加6 kPa的压力时，三层纳米纤维膜和3D多层纳米纤维膜分别产生的开路输出电压和短路电流。（c，d）三层纳米纤维膜和3D多层纳米纤维膜在施加的6 kPa压力下的模拟压电响应。

图6.（a）基于PNG的3D多层纳米纤维膜的开路输出电压和瞬时输出功率与负载电阻的关系。（b）基于PNG的3D多层纳米纤维膜的电容器充电性能。（c）基于PNG的3D多层纳米纤维膜在周期性弯曲变形下的开路输出电压。（d）使用小叶和种子进行跌落测试的开路输出电压信号。

图7.（a）在连续吹风的情况下，由基于PNG的织物通过桥式整流器充电的电容器的数字图像。插图是由电容器点亮的红色LED。（b）连续吹气时基于PNG的织物的开路输出电压。（c，d）基于PNG的织物对温度波动的热释电输出电流和电压。（要解释此图例中对颜色的引用，请参阅本文的web版本。）