DOI:10.1021/acsami.0c14490

在可穿戴电子设备的应用中，能量转换和存储设备的小型化引起了人们的高度关注。与薄膜基柔性电子产品相比，纤维基可穿戴电子产品（例如，由电纺纳米纤维制成的纳米发电机和传感器）在可穿戴设备方面更具吸引力和前景。然而，当前的压电纳米纤维存在功率输出低和传感能力差两大瓶颈，这严重阻碍了其实际应用。在此，研究者将氧化锌纳米棒（ZnO NRs）集成到一种鲜为人知的压电聚合物聚丙烯腈（PAN）纳米纤维中，形成ZnO/PAN纳米织物，其压力灵敏度和振动能量收集能力比原始PAN纳米纤维增加了约2.7倍，最大输出功率密度约为10.8 mW·m-2。值得注意的是，ZnO/PAN纳米织物的功率输出约为ZnO/PVDF纳米织物的两倍。结果表明，ZnO NRs的加入明显改善了PAN纳米纤维微观结构中的平面之字形构象。此外，机械坚固的压力传感器和可穿戴电源的成功演示证实了其在人体活动监测和个人热量管理方面的应用潜力。

图1.PENG的ZnO/PAN基纳米织物的制备过程示意图。

图2.PAN纳米纤维膜和ZnO/PAN纳米织物的表征。（a）PAN纳米纤维和（b）ZnO/PAN纳米纤维的SEM图像（插图：相应的横截面）。（c）单根ZnO/PAN纳米纤维和相应的EDS图谱。（d）PAN粉末、PAN纳米纤维膜和ZnO/PAN纳米织物的FTIR光谱。（e）PAN粉末、PAN纳米纤维膜和ZnO/PAN纳米织物的XRD图谱。

图3.PAN纳米纤维和ZnO/PAN纳米织物的压电性能。（a）压电输出电压。外部负载电阻对（b）PAN和（c）ZnO/PAN的峰值电压和电流的影响。（d）外部负载电阻对功率输出的影响（所有样品均以2Hz和8N进行测量）。

图4.（a）PAN和ZnO/PAN纳米织物中残余电荷随异丙醇浸泡时间和干燥时间的变化。PAN纳米纤维膜和ZnO/PAN纳米织物中残余电荷（b），平面间距（c）和电压输出（d）随异丙醇处理次数的变化。重复去除电荷处理前后PAN纳米纤维膜（e）和ZnO/PAN纳米纤维（f）的电压输出（工作面积16cm2；膜厚度100μm；频率2Hz；冲击力8N）。

图5.不同基材上ZnO NRs的SEM图像，（a）纸张，（b）PP，（c）PVDF和（d）PAN。四种不同基材的电压输出（e）和电流（f）比较（工作面积16cm2；膜厚度100μm；频率2Hz；冲击力8N）。（g）冲击力，（h）纳米织物尺寸和（i）冲击频率对ZnO/PAN基PENG压电性能的影响[（g）工作面积16cm2；频率2Hz；（h）冲击力8N；频率2Hz；（i）工作面积16cm2；冲击力8N。所有膜的厚度均为100μm]。

图6.PENG产生的电能用于驱动商用电发热鞋垫的应用。（a）自动加热鞋垫的示意图。（b）行走过程中ZnO/PAN基纳米织物PENG产生的输出电压；（i）原始数据和（ii）校正后的数据。（c）奔跑过程中ZnO/PAN基纳米织物PENG产生的输出电压；（i）原始数据和（ii）校正后的数据。（d）鞋垫的数码照片和红外图像。（e）三种鞋垫的表面温度随运动时间的不同而变化。（f）ZnO/PAN纳米织物的加载和卸载循环测试（插图显示测试开始和结束时性能稳定）。