DOI: 10.1016/j.cej.2022.139060

近年来，人们对开发摩擦电纳米发电机（TENGs）产生了浓厚的兴趣，其可收集免费获得的机械能，从而满足未来对清洁和可持续技术的需求。TENGs的宏观性能取决于纳米尺度上表面和材料特性的多方面作用，这对于未来TENG的发展至关重要。为了获得所需的TENG性能，需要探究出针对不同表面及材料的制备和调整方案。TENGs的一个特别可行的应用领域是通过织物或纤维TENGs为相对低功率的可穿戴电子传感器和设备提供能源。因此，本综述从材料设计、功能和性能这几个方面，重点介绍了静电纺丝多种材料组合制备TENGs的最新进展，以获得下一代基于纳米纤维的TENG器件。讨论了用于实现优化的TENG性能的各种电纺纳米结构材料的显著物理和化学特性。还详细探讨了用于柔性可穿戴电子设备以及自供电传感器的静电纺丝TENG的最新发展。

图1.（A）TENGs的基本工作模式：（a）垂直接触分离模式，（b）横向滑动模式，（c）单电极模式和（d）独立摩擦电层模式。（B）由AlphaLab开发的摩擦电表格。（C）图解：（a）基本静电纺丝装置，（b）静电纺丝聚氨酯（PU）纤维网和（c）静电纺丝PU纤维网的SEM图像。

图2.（A）（a-b）电纺PI纳米纤维膜的微观结构：摩擦层类型对（c）VOC和（d）ISC的影响。（B）基于多孔气凝胶和电纺纳米纤维的柔性摩擦电纳米发电机，用于能量收集和灵敏自供电传感。（C）（a）基于封闭纳米孔电纺垫的TENG制造示意图，（b-c）在PVDF和PHBV垫上进行后处理前后具有不同表面电荷的电纺聚合物垫的示意图，（d-e）在PVDF和PHBV垫上进行后处理前后电纺聚合物垫的SEM图像，（f-g）后处理前后PVDF和PHBV垫上SP-TENGs的最佳输出电压。（D）具有（a）正极性和（b）负极性的电纺PMMA纤维的SEM图像，（c）纤维平均直径直方图以及（d）单个PMMA聚合物链单元的结构示意图。

图3.（A）示意图，形貌（SEM和TEM图像），表面电位，静电纺丝PVDF溶液的过程示意图，基于PVDF-AgNW和尼龙纳米纤维的静电纺丝TENG器件的工作模式示意图。（B）PVDF/GQD复合NFs基TENG器件的静电纺丝制备工艺与结构。（C）（a）将MXene集成到PVDF基体中的化学结构和方案，（b）电纺尼龙6/6纳米纤维、（c）电纺PVDF纳米纤维和（d）PMC纳米纤维的FESEM图像，（e-f）PMC纳米纤维的TEM图像，展示了MXene纳米片在PVDF基体中的嵌入，（g）含有MXene的PMC纳米纤维的EDS元素映射图像。（D）制备Fe3O4 NP/PVDF复合NFs和TENG器件结构的静电纺丝方法。

图4.（A）（a）基于PVDF电纺纳米纤维的织物TENG制造流程图，（b）由PVDF电纺纤维制成的织物图像。（B）基于PVDF/ZnO NWs的电纺纳米复合材料的制备。（C）（a）基于核壳结构的摩擦电纱线，（b）静电纺丝装置，（c-d）制备的核壳纱线的形态以及（e）核壳纱线的实物图。（D）（a）SETY的工作原理和示意图，（b）可拉伸的SETY，（c）使用扫描电子显微镜观察的SETY横截面，（e）由SETY制造的平纹织物，（f）由昆虫触摸织物以进行灵敏度测量。（E）（a）对SETY进行纺织品成分检查，（b）布样和（c-d）不同织物样品的电输出。

图5.（A）铁电极化对摩擦电表面电位和电荷密度的影响，（a-c）由不同电负性材料构成的Fe-TENG示意图。（B）（a-d）BN-TENG中压力处理PVDF纳米纤维的示意图、（e-g）SEM图像和（h）工作原理。（C）（a-d）BN-TENG的运行机制和电气输出信号，（e-f）BN-TENG可以为计算器、温度计、遥控器和锂离子电池等电子设备供电。

图6.（A）（a）WB-TENG制造过程示意图，（b）WB-TENG的SEM图像以及（c）说明PHFC薄膜疏水特性的图像。（B）基于静电纺丝PVDF-石墨烯纳米片复合纳米纤维的TENG的能量收集示意图。（C）用富氧聚合物电纺正摩擦材料作为机械能收集器的图示。（D）用于TENG的电纺聚合物中的电荷俘获和液态金属粒子效应示意图。

图7.（A）（a）多层TENG中的摩擦电荷转移和存储过程，（b-e）含炭黑的电纺CA、PES和PS纳米纤维的SEM图像。（B）多层复合TENG示意图和光学图像。（C）（a-c）多层TENG电输出特性以及（d-f）用于各种人体生物力学能量收集应用的演示。（D）（a）可拉伸透明TENG的制造过程示意图，（b）MXene-AgNWs-MXene-PU纳米纤维混合电极和（c）AgNWs-PU纳米纤维电极的SEM图像，（d）MXene、AgNWs和PU纳米纤维的界面相互作用机理图。（E）纳米纤维膜表面修饰氨基作为增加疏水性的策略。

图8.（A）SI-TENG作为娱乐游戏的触觉传感器：（a）3×3 SI-TENG阵列示意图，（b）3×3 SI-TENG阵列结构，（c）结合到手上的SI-TENG的图示，（d）传感器系统电路示意图，（e）SI-TENG阵列如何控制游戏角色移动的演示，以及（f）实时输出电压的屏幕截图。（B）基于自互锁弹性纳米纤维的TENG结构（SNF-TENG）和特性：（a）SNF-TENG制造过程示意图，（b）SNF-TENG三明治结构，（c）表面形态和横截面SEM图像，（d）循环拉伸特性，（e-g）展示SNF-TENGS拉伸性、柔性、疏水性和可洗性的照片。

图9.（A）基于PVDF/AgNWs的压力传感器的设计与结构。（B）PVDF电纺纳米纤维基TENG的制备。（C）（a）FSTENG制造过程示意图，（b）制成的pPDMS薄膜的照片，（c）显示固定在手指关节上的FSTENG的照片，（d）显示固定在鞋垫上的FSTENG的照片以及（e）显示固定在叶片表面的FSTENG的照片，（f）FSTENG对拉伸应变的电响应。（D）FSTENG的应用：（a）不同频率手指弯曲和（b）不同行走状态下FSTENG的电压输出信号，（c）由FSTENG点亮348个LEDs前后的光学图像，（d-e）FSTENG作为风速传感器的作用机制，以及（f）FSTENG在各种风速下的输出电压信号。

图10.（A）（a）全纤维混合摩擦电纳米发电机示意图，（b）丝纳米纤维的SEM图像。（B）（a）可穿戴TENG的结构设计和（b）柔性。（C）（a-d）P-DADMAC/nylon-11纳米纤维垫的制备与表征，（e）在袜子上进行TENG测试，（f-i）人体运动电压输出，（j）自供电运动监测装置，（k）物联网应用中的人体运动跟踪以及（l）智能手机启用的主动式人体运动传感器。