DOI: 10.1021/acsami.0c17512

从微电容器形成的角度理解摩擦电荷积累对于提高摩擦纳米发电机（TENG）的输出性能起着至关重要的作用。本文报道了一种由具有优良介电常数和高表面电荷密度的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）/MXene纳米复合材料制备而成的电纺纳米纤维基TENG（EN-TENG）。从理论和实验上研究了介电性能对EN-TENG输出性能的影响。当匹配的外部负载电阻为4mΩ时，EN-TENG的最大功率密度为4.02W/m2。PVDF-TrFE/MXene纳米复合材料使EN-TENG的输出性能提高了四倍。通过收集人手指敲击产生的能量，EN-TENG可成功为电子秒表和温湿度计供电。此外，它在智能家居应用中可充当控制家用电器的自供电开关，包括火灾报警器、风扇和智能门。这项工作为自供电系统、人机界面和智能家居应用提供了一种有效的新方法。

图1.（a）MXene纳米片的示意图，PVDF-TrFE的分子结构，以及复合材料内部被PVDF-TrFE链包围的MXene片的示意图。（b）EN-TENG的3D示意结构以及Nylon-11纳米纤维和PVDF-TrFE/MXene纳米纤维的FESEM图像。（c）EN-TENG的数码照片。（d）具有不同MXene填料浓度的PVDF-TrFE的XRD分析。（e）纯PVDF-TrFE和PVDF-TrFE/MXene复合材料的FTIR分析。（f）MXene体积分数为10％的PVDF-TrFE复合材料C1s区的XPS光谱。

图2.（a）EN-TENG的工作机制以及在按压和释放期间电路中电荷的流动。（b）EN-TENG在不同阶段电势分布的有限元模拟。（c）分隔距离与EN-TENG的最大输出电压之间的关系。（d）不同间隙距离下的转移电荷量图。（e）模拟EN-TENG摩擦电层厚度对电压的影响。复合纳米纤维的介电性能对不同MXene体积含量的依赖性。（f）介电常数和（g）介电损耗。（h）在共聚物（PVDF-TrFE）基质中，低浓度MXene形成的微电容器和高浓度MXene形成的导电通道。

图3.振动台试验装置下EN-TENG的电输出特性。（a）在7N施加力下，EN-TENG在6Hz频率下的开路电压。（b）在7N施加力下，EN-TENG在6Hz频率下的电流密度。（c）在7N施加力下，以6Hz的频率对EN-TENG进行充电。（d）在相同输入条件下按压和释放时EN-TENG的电压波形。（e）在相同输入条件下按压和释放时EN-TENG的电流波形性质。（f）在添加不同浓度MXene的情况下输出峰间电压的变化。（g）TENG的电荷密度对不同MXene浓度的依赖性。（h）EN-TENG的电压与纳米纤维垫厚度的关系。（i）纳米纤维垫的静电纺丝时间。（j）在各种频率和7N施加力下相应开路电压的变化。（k）在各种频率和7N施加力下相应电流密度的变化。（l）在6Hz的工作频率以及各种作用力下相应峰间电压的变化。

图4.在7N施加力下，EN-TENG在6Hz频率下的电输出特性。（a）在不同外部连接负载条件下，EN-TENG的输出电压和电流的变化。（b）4MΩ外部负载下的峰值输出电压。（c）比较EN-TENG在不同外部连接负载下的峰值功率和功率密度。（d）EN-TENG在不同功率密度下的输出性能比较。在7N施加力和6Hz工作频率（e）电压和（f）电流下，EN-TENG在20,000个工作循环期间的稳定性和耐久性测试。

图5.展示了EN-TENG作为一种自我维持电源，用于通过清除生物动能驱动智能家居应用中的电子设备。（a）系统图中的EN-TENG和各种组件集成为一个智能开关，在智能家居中操作多种电子设备。（b）电容器充电系统的电路原理图，该系统将由EN-TENG获得的能量为电子设备供电。（c）具有不同电容值的TENG的电容器充电曲线。（d）由EN-TENG充电并为秒表供电的10μF电容器的输出电压曲线。（e）由EN-TENG充电并为温湿度计供电的10μF电容器的输出电压曲线。（f）通过人手指敲击EN-TENG点亮130个红色LED的摄影图像以及相应的电输出（Voc和Isc）。（g）EN-TENG用作自供电开关，用于打开/关闭智能家居应用中的电风扇。（h）在电风扇的开/关切换过程中对应的输出信号。（i）EN-TENG用作自供电开关，用于打开和关闭智能家居中的智能门。（j）智能门的相应输出信号（开/关）。