基于摩擦电气化和静电感应效应的摩擦纳米发电机(TENGs)于2012年首次亮相，是一种新兴的能源收集技术。TENGs具有将低频、不规则和小规模机械能转化为电能，从而有效利用环境能源的潜力。TENGs材料来源广泛、器件结构简单、成本低、环保等显著优点，已成为智能便携式电子、可穿戴设备、电化学过程和自供电传感器系统的理想能源供应商候选产品。

钛酸钡纳米粒子(BT NPs)作为一种无机压电陶瓷，具有优异的介电性能，作为纳米器件广泛应用于TENG复合薄膜中。BT NP的加入显著提高了TENG的性能，使复合薄膜的压电常数增大，介电常数增大。但部分BT NPs由于与PVDF不兼容而聚集成大集群，阻碍了TENG性能的进一步提升。同轴电纺丝操作简便，有望提高多组分电纺丝的可纺性，即使是不相容的材料也可以通过同轴电纺丝的方式被电纺成单一纤维，这样可以保持每种材料的固有特性。这解决了摩擦电材料的分散性和不相容性差的问题，并可大大拓宽摩擦电材料的性能。

东华大学黄涛老师课题组采用改进的双组分同轴静电纺丝法制备了PDMS/BT@PVDF核壳纳米纤维，构建了一种新型掺杂钛酸钡同轴纳米纤维摩擦纳米发电机(BTCN-TENG)，在纳米尺度上通过介电和分散性调制提高了输出性能。将高介电常数的四相BT纳米膜引入到核壳纳米纤维的PDMS核心层中，取代了传统的复合膜。采用溶胶-凝胶水热法合成了四方相BT NPs，将BT NPs的含量调至2.4 wt%，验证了BT NPs在PDMS基质中的分散性优于PVDF基质。分散性的改善提高了PDMS/BT@PVDF纳米纤维的介电常数，也提高了掺钛酸钡同轴纳米纤维摩擦发电机(BTCN-TENG)的相应性能。由BTCN-TENG产生的电能可以点亮140个商用led灯，驱动电子手表、计算器和无线智能开关等智能设备，而无需外部能源。因此，本研究为构建高性能摩擦纳米发电机提供了一种可行而有效的途径。相关研究论文以“Synergistic enhancement of coaxial nanofiber-based triboelectric nanogenerator through dielectric and dispersity modulation”为题目发表于期刊《Nano Energy》上。

图1 (a) BT NPs形态的FE-SEM图像。插图:BT NP直径分布直方图，平均值为83.69×17.28 nm。(b)制备的BT NPs(上)和四方相BT (JCPDS卡号05-0626)(下)的XRD图谱。(c) BT NPs的拉曼光谱。(d) PDMS/BT溶液制备过程和(e)同轴静电纺丝装置的示意图。(f)原理图及(g)制作的BTCN-TENG的光学照片。

图2.接触/分离频率为2 Hz时，不同BTCN-TENG的电学测量。 （a）书形BTCN-TENG的工作机制。 （b）输出电压，（c）短路电流和（d）传递原始质量的基于PVDF的TENG和BT NP重量比为0、0.3，1.2、2.4和3.6重量％。

图3 (a)介电常数值和(b)介电损耗对不同BT NP含量的电纺丝纳米纤维毡测量频率的依赖性。(c)介质-介质接触模式BTCN-TENG的理论模型和等效电线路图。BT NP含量为0.3、1.2、2.4和3.6 wt%的电纺丝PDMS/BT@PVDF纳米纤维(d) - (g)表面形貌和(h) - (k)横截面的FE-SEM图像。

图4 PDMS@ PVDF /2.4 wt% BT和PDMS/2.4 wt% BT@PVDF纳米纤维垫的表征。(a)、(b) TEM图像。纳米纤维毡的(c)介电常数和(d)介电损耗与频率的相关性。接触/分离频率为2Hz的BTCN-TENGs(e)输出电压(f)短路电流(g)两者的转移电荷密度。

图5. BTCN-TENG在应用中充当电源。 （a）负载输出电压（左轴），电流（右轴）和（b）电机的瞬时功率密度优化的BTCN-TENG，负载电阻为10 1–106KΩ。 （c）最佳的BTCN-TENG在充电30秒后连接到各种电容器（1、3.3、4.7、10和22μF）时测得的电压。 （d）串联连接的140个蓝色LED的同时照明的原理图和（e）数字照片。 （F）全波桥式整流器电路原理图，用于为22μF电容器充电，以便通过手敲击为电子设备连续供电。 充放电最佳BTCN-TENG的曲线，以驱动（g）电子表和（h）计算器。 插图：工作条件下电子设备的照片。 （i）使用电源管理在机械振动下供电以触发灯泡熄灭（左图）和开启（右图）的无线智能开关的照片。 

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104894