DOI: 10.1021/acsanm.1c03777

在本研究中，为了提高聚偏氟乙烯（PVDF）与钛酸钡（BaTiO3）的相容性以及可穿戴压电纳米发电机（PENGs）的压电性能，通过对BaTiO3预聚体和PVDF粉末进行简单的热退火，制备出氟化BaTiO3（F-BaTiO3）纳米颗粒，接着通过静电纺丝由F-BaTiO3纳米颗粒和PVDF溶液组成的分散液，制备出一种改性复合纳米纤维，以这种改性复合纳米纤维作为压电功能材料构建出PENG。扫描电镜（SEM）表明，F-BaTiO3纳米粒子在改性复合纳米纤维中的分散比BaTiO3纳米粒子更均匀，傅里叶红外（FT-IR）光谱分析表明，含F-BaTiO3的改性复合纳米纤维（F-BaTiO3/PVDF纳米纤维）的β相含量高于含BaTiO3的改性复合纳米纤维（BaTiO3/PVDF纳米纤维），当F-BaTiO3纳米粒子的用量为5wt%时，改性复合纳米纤维的β相含量达到最大值（91%），约为BaTiO3/PVDF纳米纤维的3倍。在2N的外力作用下，PENG的输出电压高达1.5V，并且在垂直加压试验中经过300次循环后，输出电压没有明显下降。此外，PENG对人体运动的检测非常灵敏，例如肘部弯曲、手拍桌子和走路。上述结果表明，使用PVDF氟化BaTiO3提高了F-BaTiO3在PVDF纳米纤维中的分散性、F-BaTiO3/PVDF纳米纤维的β相含量以及F-BaTiO3/PVDF PENG的输出电压。

图1.（a）F-BaTiO3纳米颗粒在不同温度下退火的XRD谱图，以及（b）F-BaTiO3和BaTiO3的XRD和（c）XPS图谱。

图2.（a）BaTiO3和（b）F-BaTiO3纳米颗粒的TEM图像，（c）F-BaTiO3纳米颗粒的高分辨率TEM图像。BaTiO3（d）和F-BaTiO3（e）纳米粒子的EDS元素映射图像。

图3.（a）含3wt%F-BaTiO3或BaTiO3的F-BaTiO3/PVDF和（b）BaTiO3/PVDF纳米纤维的SEM图像。（c）具有不同F-BaTiO3或BaTiO3含量的F-BaTiO3/PVDF和BaTiO3/PVDF纳米纤维的d33系数。（d）含3wt%F-BaTiO3或BaTiO3的F-BaTiO3/PVDF和（e）BaTiO3/PVDF纳米纤维的FT-IR分析。（f）具有不同F-BaTiO3或BaTiO3含量的F-BaTiO3/PVDF和BaTiO3/PVDF纳米纤维的β相含量。

图4.静电纺丝法制备的BaTiO3/PVDF和F-BaTiO3/PVDF纳米纤维的取向示意图。

图5.（a）PENG结构示意图，（b）PENG的照片，（c）测量压电性能的设备示意图。

图6.（a）BaTiO3/PVDF PENG和（b）F-BaTiO3/PVDF PENG的输出电压。肘部弯曲（c）、手拍桌子（d）和行走（e）时的输出电压。（f）F-BaTiO3/PVDF PENG在300次循环期间的循环稳定性测试。