近年来分立式电子器件和柔性可穿戴电子产品的快速发展极大促进了对可持续能源收集装置的需求。摩擦纳米发电机（TENG）因可将环境中无序的机械能转化成电能，被认为是极具前景的可持续能源收集候选装置，受到了广泛深入研究。适当的材料和工艺选择对于制备高性能摩擦纳米发电机而言至关重要。采用静电纺丝法制备的纳米纤维层在过去的十年里被认为是最具前途的摩擦层材料之一；然而，纳米纤维层通常具有蓬松绒毛结构，其力学性能与电学性能均会受到影响。迄今为止，制备具有稳定优异的力学与电学特性的纳米纤维基摩擦纳米发电机仍是一项巨大的挑战。
近日，四川大学向钢教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》发表了最新研究成果“Mechanically Robust and Electrically Stable High-Performance Triboelectric Nanogenerator Based on Fluffy-Free EC/Nylon-11 and PTFE/PVDF Nanofibers”。团队通过静电纺丝工艺和涂覆后处理工艺，制备了基于无蓬松绒毛结构的乙基纤维素涂覆的nylon-11（EC/nylon-11）和聚四氟乙烯涂覆的聚偏二氟乙烯（PTFE/PVDF）复合纳米纤维层，并在此基础上制备获得了兼具高力学坚固性和高电学稳定性的高性能摩擦纳米发电机。
图1：nylon-11、EC/nylon-11和PVDF、PTFE/PVDF纳米纤维的形貌、表面粗糙度及粘连特性对比。
通过静电纺丝技术和涂覆后处理制备的EC/nylon-11和PTFE/PVDF纳米纤维具有无蓬松绒毛的特点。SEM图像显示nylon-11呈现蓬松特性（图1a,e），而EC涂覆表面密度（σEC）为1.60 mg/cm2的EC/nylon-11样品中观察到无蓬松特性（图1b,f）。类似地，PVDF纳米纤维呈现蓬松特性（图1c,g），而PTFE涂覆表面密度（σPTFE）为4.0 mg/cm2的PTFE/PVDF呈现无蓬松特性（图1d,h）。此外，EC/nylon-11和PTFE/PVDF表面粗糙度随着涂覆表面密度的增加而降低（图1i,j），与纳米纤维的SEM结果一致。对比发现，纯nylon-11和PVDF纳米纤维容易黏附到手套上，而涂覆后处理的EC/nylon-11和PTFE/PVDF纳米纤维不黏附到手套上（图1k-n）。简言之，EC/nylon-11和PTFE/PVDF纳米纤维的无蓬松绒毛特性，可以解决以往纤维基摩擦层中经常出现的黏附问题。
图2：EC/nylon-11和PTFE/PVDF纳米纤维的力学性能。
无蓬松绒毛纳米纤维还具有优异的力学性能。涂覆后处理的EC/nylon-11纳米纤维的杨氏模量最高可达149.5 MPa（是纯nylon-11的12.26倍），涂敷后的PTFE/PVDF纳米纤维的杨氏模量最高可达111.4 MPa（是纯PVDF的20.33倍）。EC/nylon-11和PTFE/PVDF纳米纤维可以吊起450 g和250 g重物，而不会损坏或破裂，显示出高力学强度。
图3：EC/nylon-11-PTFE/PVDF TENG的电学稳定性及力学坚固性测试。
基于无蓬松绒毛纳米纤维层的摩擦纳米发电机（EC/nylon-11-PTFE/PVDF TENG）具有优异的电学稳定性和力学坚固性。涂覆后处理制备的EC/nylon-11-PTFE/PVDF TENG在经历100000次循环后仍旧具有稳定的电学特性（图3a），优于此前已报道的基于纳米纤维基TENG的电学稳定性测试结果。另外，涂覆后的EC/nylon-11和PTFE/PVDF纳米纤维具有优异的抗磨擦特性（图3b,c），这是未经涂覆的纳米纤维表面所不具备的特性。优异的电学稳定性和力学坚固性，意味着此摩擦纳米发电机在便携式可穿戴电子领域中具有实际应用价值。
研究团队进一步演示了兼具高电学稳定性、高力学坚固性和柔性的EC/nylon-11-PTFE/PVDF TENG在电子皮肤领域的应用。作为电子皮肤的自驱动传感器， EC/nylon-11-PTFE/PVDF TENG可用于检测不同种类的体外刺激，如可用于识别SCU等不同符号（图4b-d），或用手轻轻按压、用力按压、拳头拳击和手握等不同动作（图4e-h）。研究结果显示，EC/nylon-11-PTFE/PVDF TENG在柔性耐用的自驱动电子皮肤方面的应用具有巨大的开发潜力。
图4：EC/nylon-11-PTFE/PVDF TENG作为电子皮肤的应用。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.3c13778
人物简介：
向钢，四川大学物理学院教授、博士生导师。兰州大学学士、硕士，美国宾夕法尼亚州立大学博士。长期从事新型磁电功能材料及器件物理研究，已主持国家重点研发课题、国家自然科学基金项目及其他纵向横向项目共10余项，已在Nature、Physical Review Letters、Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interfaces，Science Materials China等期刊发表论文120余篇，获批国家发明专利8项，研究成果曾获得中国半导体十大研究进展提名奖。
