DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105670

本文首次提出可将电纺MXene（Ti3C2Tx）功能化聚偏氟乙烯（PVDF）复合纳米纤维作为一种提高摩擦电能量收集性能的极具潜力的负摩擦电层。将Ti3C2Tx纳米片混合到PVDF基质中，然后采用标准的静电纺丝工艺，以改善纳米纤维的介电性能和表面电荷密度，从而显著提高摩擦电性能。采用MXene导电纳米片对PVDF纳米纤维进行介电调制，使纳米纤维的介电常数和表面电荷密度分别提高了270％和80％。制备了基于PVDF/MXene复合材料（PMC）纳米纤维和尼龙6/6纳米纤维的摩擦电纳米发电机（TENG），其在2MΩ的匹配负载下可以提供4.6mW的峰值功率（功率密度：11.213 Wm-2），比本研究制备的PVDF纳米纤维高出1.58倍。所制备的TENG在低频冲击下显示出优异的性能，输出信号非常稳定（>60K循环），能够快速为存储电容器充电，并可持续地运行低功率电子设备和商用LED。除了能量收集之外，TENG可作为一种自供电脚步运动传感器，它可以根据人在楼梯上的脚步运动自动控制阶梯灯。

图1.PVDF/MXene复合材料（PMC）纳米纤维的化学结构和表征。（a）化学结构和图解说明MXene由于协同作用混入PVDF基体中形成H键的影响。（b）所制备的电纺尼龙6/6纳米纤维的FESEM图像。（c）电纺PVDF纳米纤维的FESEM图像。（d）所制备的PMC纳米纤维的FESEM图像（插图显示纤维上的纳米级粗糙度）。（e，f）PMC纳米纤维的TEM图像显示MXene纳米片嵌入PVDF基质中。（g）含10wt％MXene浓度的PMC纳米纤维的EDS元素映射。（h）具有不同MXene重量百分比的PMC纳米纤维的XRD光谱。（i）FTIR数据对应PVDF纳米纤维中所含的不同MXene重量百分比。（j）PMC纳米纤维C1s的XPS全谱。

图2.PVDF/MXene的电气特性，设备原理图，运行和模拟。（a）介电常数的测量值与频率的关系图。（b）介电损耗的测量值与频率的关系图。（c）具有不同Mxene含量的PMC纳米纤维的电导率随频率的变化曲线。（d）所制备的TENG的示意图和光学照片。（e）TENG的工作原理和相应的信号产生过程。（f）对不同层间距的TENG进行了COMSOL模拟，并给出了相应的表面电势图。

图3.TENG的电气特性。（a）研究了聚偏氟乙烯（PVDF）中MXene含量对TENG的开路电压（Voc）波形的影响。（b）研究了聚偏氟乙烯（PVDF）中不同MXene含量对TENG的短路电流（Isc）波形的影响。（c）研究了PVDF中不同MXene含量对TENG的电荷波形的影响。在变化的输入频率下测得的TENG的（d）Voc，（e）Isc和（f）电荷波形。在1Hz频率下，测定TENG在不同垂直冲击力下的（g）Voc，（h）Isc和（i）电荷波形。

图4.TENG的电气性能分析。（a）TENG的Voc、Isc和转移电荷与MXene含量（wt％）之间的关系。（b）TENG的Voc、Isc和转移电荷与输入激发频率之间的关系。（c）TENG的Voc、Isc和转移电荷与垂直冲击力之间的关系。（d）在不同负载条件下，TENG的负载电压和峰值功率曲线。（e）通过TENG充电的各种电容器的电容器电压特性曲线。（f）就峰值功率密度和电流密度而言，所制备的PMC纳米纤维基TENG与先前类似报告的性能比较。

图5.TENG的应用和演示。（a）带有整流器电路的TENG的示意图，串联连接的120多个LED的照片，以及通过简单的手轻敲动作由TENG接通相应LED的照片。（b）用于运行商业运动手表的电容器的充电和放电特性曲线（插图显示了打开状态的湿度计）。（c）通过手轻敲动作由TENG运行温湿度传感器所用电容器的充放电特性曲线（插图显示了温湿度计传感器的开启状态）。（d）用作自供电脚步运动传感器的TENG的示意图，可根据人的脚步运动自动控制楼梯上的灯。（e）（i）所制备的TENG用作自供电脚步运动传感器的照片；（ii）传感器数据处理和控制电路；（iii）台阶上的传感器和LED布置；以及（iv）实时阶梯灯控制应用演示。（f）TENG在6Hz输入频率下的耐久性测试电压波形。