DOI: 10.1021/acsnano.0c10817

在植物与环境之间建立一个智能接口对于实时监测植物的健康状况至关重要，尤其是对于提高农业产量而言。尽管各种传感器的进步使自动监测成为可能，但是为这些电子设备开发可持续的电源仍然是一项艰巨的挑战。在此，采用同时静电纺丝和电喷雾法设计了一种基于聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）纳米纤维包埋氟化碳纳米管（F-CNT）微球的防水透气摩擦电纳米发电机（WB-TENG）。以碳纳米管（CNT）为电极，WB-TENG显示出微纳米级的分层多孔结构和高静电粘附力，具有330.6μW cm-2的高输出功率密度、透气性和疏水性。此外，WB-TENG可以在不牺牲植物内在生理活性的情况下，共形自附着于植物叶片上，从风和雨滴中获取典型的环境能量。结果表明，WB-TENG可以用作无线植物传感器的可持续电源，从而实时监测植物的健康状况。这项工作实现了构建具有环境适应性和能量清除能力的植物兼容型TENG的构想，在建立自供电农业系统方面显示出巨大的潜力。

图1.一种自供电且可持续农业系统的示意图，该系统基于自附着与植物叶片上的WB-TENG来工作，以收集环境能量，为无线植物传感器供电，以便与人类进行远程通信。

图2.PHFC薄膜的制备和性能。（a）WB-TENG的制造过程示意图。（b）WB-TENG的SEM图像，显示（ii）PHFC薄膜和（iii）沉积在薄膜上的CNT电极的（i）横截面图和平面图。（c）证明PHFC薄膜具有疏水性的照片（插图显示其水接触角约为146°），并且可以附着在诸如玻璃和金属之类的不同基材上。

图3.PHFC薄膜的形态、疏水性和透气性。（a）由PVDF-HFP纳米纤维和F-CNT微球组成的PHFC复合纤维膜的SEM图像。（b）F和C的EDS映射图像。（c）展示F-CNT微球形成过程的示意图。（d）纯F-CNT膜和具有不同含量F-CNT微球的电喷涂PHFC复合膜的水接触角。（e）比较F-CNT微球含量不同的PHFC复合膜的水蒸气透过率。（f）疏水PHFC薄膜和先前报道的文献中其它电纺薄膜之间的WTVR比较。WTVR测定在38℃、50％相对湿度下进行。

图4.在30N和5Hz下测定具有PHFC薄膜和Al的WB-TENG的摩擦电性能：（a）TENG的输出Voc和（b）Isc，其PHFC薄膜中的F-CNT含量不同。（c）在初始状态下和充分摩擦后，F-CNT含量不同的PHFC薄膜的表面电位。（d）纯PVDF-HFP薄膜和（e）含12wt％F-CNT微球的PHFC薄膜的共焦图像。（f）PHFC薄膜和纯PVDF-HFP薄膜的表面粗糙度。

图5.静电附着WB-TENG至植物上，用于风能收集和自供电应用。（a，b）附着在不同种类植物上的WB-TENG的照片，显示了其轻巧的特性、柔性和与植物的高亲和力。（c）PHFC薄膜与不同类型叶片的粘附压力。（d）附着在植物叶片上以收集能量的WB-TENG的照片。（e，f）WB-TENG在人造风下的输出电压会导致叶片与叶片之间的接触分离，雨天以水滴为接触点。

图6.（a）插入土壤的植物传感器的照片，可以将其连接到移动电话。（b）WB-TENG对4.7mF电容器的充电和放电曲线，插图显示电路图。（c）移动电话的快照，显示其与由WB-TENG驱动的工厂传感器成功连接。（d）照片显示植物的生长情况，WB-TENG附着在其中一片叶子上。