DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c07643

基于纳米纤维的摩擦电纳米发电机作为可穿戴电子产品中的多功能电源获得了越来越多的关注。然而，大多数基于传统可穿戴设备的TENGs无法同时实现优异的输出和多功能特性。在此，本研究通过简单、低成本的静电纺丝/电喷雾组合方法设计了一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）/TiO₂纳米纤维膜的防水、透气、防紫外线的TENG，以高效收集机械能。PVDF的引入可以克服静电纺丝过程中PDMS纳米纤维的合成难题。由于纳米纤维网络中存在大量三维微纳米分层孔隙，构建的TENG可以提供大的比表面积和良好的透气性。TiO₂纳米颗粒（NP）的加入提高了PVDF/PDMS/TiO₂纳米纤维膜的介电常数和表面粗糙度，以及基于纳米纤维的TENG的相应输出性能。所述TENG具有0.72W/m²的最大峰值功率密度和出色的透气性（18.6mm/s）。由于TiO₂ NPs吸收紫外线辐射，含有4%TiO₂ NPs的TENG的UVA透射率（TUVA）降至8.2%。构建的TENG可以集成并以自供电的方式监测人体生理信号。总体而言，这种基于PDMS/PVDF/TiO₂纤维薄膜的TENG作为一种自供电传感器在可穿戴设备中表现出很好的潜力。

图1.基于PDMS/PVDF/TiO₂纤维膜的TENG的制造工艺流程图：（a）电喷雾和电纺丝的组合工艺，（b）手指按压单电极TENG的示意图，（c）F、Si和Ti元素的相应SEM-EDS映射图像，以及（d）TiO2和具有不同TiO₂含量的PDMS/PVDF/TiO₂纳米纤维膜的XRD图谱。

图2.基于纳米纤维的TENG的电输出。（a）基于纳米纤维的TENG的发电机制，I：原始状态，II：分离状态，III：已分离状态和IV：按压状态。（b）TENG在不同位置的模拟电势分布，I：原始状态，II：分离状态，III：已分离状态和IV：按压状态。（c-e）开路电压、电流和转移电荷随组件质量比（PVDF/PDMS）的变化。（f,g）基于不同TiO₂浓度的PDMS/PVDF/TiO₂纳米纤维膜的TENG的电压输出和短路电流。（h）TiO2浓度的相对介电常数。

图3.基于PDMS/PVDF/TiO₂纳米纤维膜的TENG的电输出。（a,b）开路电压和短路电流密度与薄膜厚度的关系。（c,d）开路电压和短路电流密度与频率的关系。（e,f）开路电压和短路电流密度与载荷力的关系。（g,h）电压、电流密度和功率密度与负载电阻的函数关系。（i）基于纳米纤维的TENG的耐久性。

图4.基于不同TiO₂含量的PDMS/PVDF/TiO₂纳米纤维膜的TENG器件的耐水性、透气性和抗紫外线性的表征。（a）WCA，（b）透气性，（c）紫外线透射光谱，（d）紫外线吸收光谱，（e）TUVA和（f）TUVB。

图5.基于PDMS/PVDF/TiO₂纳米纤维膜的TENG的应用：（a）使用4.7、47和100μF电容器的充电曲线及其相关应用。（b）TENG在外部压力下的模拟输出电压。根据输出信号的幅度和频率，对（c）呼吸、（d）行走和（e）原地踏步进行监测。（f,g）在两件衣服上制造的TENG的输出电压：在手臂下方和在肘前窝上。（h）发光二极管（LED）的发光照片和TENG连续驱动温度计的演示。