DOI:10.1016/j.energy.2020.117385

目前，压电式能量收集技术已成为解决化石燃料能源消耗带来的环境问题的重要手段。在这方面，研究人员已着手开发各种压电器件，但仍然存在环境问题。例如，锆钛酸铅（PZT）是一种很有前途的压电材料。然而，它含有超过60%的有毒铅。在过去，为了实现所需的压电性能，人们发表了大量关于无铅纳米复合材料的研究文章。但是，在许多情况下，研究人员发现纳米填料在聚合物基质中的分布是压电性能不理想的主要问题。为了解决上述问题，本研究开发了硅烷改性含硝酸钾钠（KNN）聚偏氟乙烯（PVDF）电纺纤维网基纳米发电机。研究发现，在表面改性含KNN（SM-KNN）PVDF纳米纤维网的情况下，其压电性能显著提高，导致纳米填料的解团聚，同时这种方法进一步促进了PVDF聚合物链与KNN纳米棒之间更好的相互作用。PVDF/3%表面改性KNN纳米复合材料可产生约21 V的极高输出电压，约22μA的输出电流，约5.5μA/cm2的电流密度，约115.5μW/cm2的功率密度。这种纳米发电机在照明LED方面很有前途，有望缓解社会对微型能源的需求。

图1.（a）不同电纺纳米复合纤维网的红外光谱、（b）β分数值、（c）XRD图谱和（d）结晶度。

图2.（a）至（h）不同纳米复合纤维网的SEM图像和平均直径，（i）和（j）掺入3%SM-KNN纳米棒的PVDF聚合物基纳米复合纤维网的TEM形态，（k）PVDF/3%KNN基纳米复合纤维网的TEM图像，以及（l）PVDF/3%SM-KNN基纳米复合纤维网的元素分析。

图3.（a）P-PVDF基纳米发电机的输出信号，（b）PVDF/1%SM-KNN基纳米发电机的输出信号，（c）PVDF/3%SM-KNN基纳米发电机，（d）PVDF/5%SM-KNN基纳米发电机的输出信号；（e）图4c中突出显示的部分，以及（f）在PVDF聚合物中具有不同百分比的SM-KNN纳米棒的不同纳米发电机的输出电压。

图4.（a）P-PVDF基纳米发电机的输出电流，（b）包含PVDF/1%SM-KNN的纳米发电机，（c）包含PVDF/3%SM-KNN的纳米发电机，（d）包含PVDF/5%SM KNN的纳米发电机；（e）各种纳米发电机所产生的电流密度，其中包含不同比例的SM-KNN纳米棒（插图：用于电流测量的电路图），以及（f）PVDF聚合物中具有不同比例的SM-KNN纳米棒的不同纳米发电机所产生的功率密度矩阵（插图：发光二极管）。

图5.（a）PVDF/KNN电纺纳米复合材料基纳米发电器，（b）PVDF/SM-KNN电纺纳米复合材料基纳米发电器，（c）按压纳米发电器，以及（d）由纳米发电器释放压力。