噪声通常被视为一种烦恼，但它却隐藏着大量尚未开发的能量，人们可以将这些能量有效收集起来为各种微型设备供电。然而，实现声能采集器的高电输出性能仍然是一项艰巨的挑战。

近期，澳大利亚迪肯大学陈英教授团队采用集成电纺丝和电喷雾技术的一步法，制备了一种单层复合膜，该膜由聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维网络和均匀分散的氮化硼纳米片聚集体（BNNS-A）组成，用于声能收集。本研究中的3×4cm²+PVDF/-BN器件暴露于115dB、230Hz的声音时，分别产生了174.2V和19.2µA的峰值电压和电流输出。值得注意的是，与其他类似的基于PVDF的声电器件相比，在可比的声音条件下该器件表现出最高的电压输出。此外，与纯PVDF纳米纤维器件相比，BNNS-A的加入将最大峰值功率输出提高了30倍。总体而言，这项研究加深了人们对纳米复合材料中的内源性摩擦生电机制的认识，并为生产高性能纳米纤维声电器件提供了一种很有前途的方法。

图1.（a）电纺丝和电喷雾技术的组合示意图。（b）所制备的+PVDF/-BN复合膜的数字照片和（c）SEM图像。（d）PVDF纤维的直径分布（左）和BNNS-A的尺寸分布（右）。（e）+PVDF/-BN（红色曲线）和+PVDF/-乙醇（蓝色曲线）的FTIR、（f）XRD和（g）拉曼光谱。

图2.（a）+PVDF/-BN器件的数码照片。（b）+PVDF/-BN器件和声能转换测试系统示意图。（c）在115dB、230Hz的声音条件下，+PVDF/-BN声电器件的电压和（d）电流输出。（e）用于比较的+PVDF/-乙醇器件的电压和（f）电流输出。

图3.（a）+PVDF/-BN（红色曲线）和+PVDF/-乙醇（蓝色曲线）器件的输出电压与230Hz恒定频率下声压级的函数关系。（b）声音频率对+PVDF/-BN（红色曲线）和+PVDF/-乙醇（蓝色曲线）性能的影响。+PVDF/-BN（c）和+PVDF/-乙醇（d）响应外部负载的峰值电压和峰值功率输出。（e）基于PVDF纳米纤维的“三层”结构无谐振器声电器件的电压输出比较。实心圆（●）表示仅基于摩擦电效应的器件，实心正方形（■）表示基于摩擦电和压电效应组合的器件，以及实心菱形（♦）代表仅基于压电效应的器件。

图4.（a）器件结构示意图：（i）PVDF/BN涂层电极，最大限度地减少+PVDF/-BN膜和电极之间的摩擦电效应；（ii）正常+PVDF/-BN器件；（iii）双层PVDF-BN器件；（iv）仅PVDF的器件。这四种器件的电压（b）和电流（c）输出的比较。

图5.+PVDF/-BN（a）和+PVDF/-乙醇（b）膜响应115dB、230Hz声音的电流输出。（c）声音关闭时+PVDF/-BN膜的电荷密度演化（黑色实心方块）、饱和电荷密度与静音时间的函数关系（红色实心圆）以及+PVDF/-BN膜的平均饱和电荷密度。（d）+PVDF/-乙醇的电荷密度演化和饱和电荷密度。

图6.（a）具有和不具有BNNS-A的PVDF纤维的COMSOL多物理场仿真：（i）BNNS-A附着到PVDF纤维并与相邻PVDF纤维接触的初始状态；（ii）这两根PVDF纤维在波状力作用下发生变形，导致BNNS-A与其相邻的PVDF纤维分离。（b）有（绿色曲线）和没有BNNS-A（蓝色曲线）的PVDF纤维中间的位移。+PVDF/-BN膜的内源性摩擦电效应示意图（c），以及+PVDF//BN与电极之间的摩擦电效应示意图（d）。

图7.（a）PVDF纳米纤维的平均直径，（b）+PVDF/-BN的电压和电流输出，以及（c）功率输出和内阻与BNNS溶液（不同BN含量）电喷雾速率的关系。

图8.（a）为80个串联商用LED供电的声电器件电路图（数码照片）。（b）电容器的电压变化与声电器件充电时间的函数关系。（c）由声电器件供电的计算器的电压变化。（d）声电器件的稳定性。

该工作以“Electrosprayed boron nitride nanosheet aggregates for enhanced acoustic energy harvesting with poly(vinylidene fluoride) nanofiber membranes”为题发表在《Nano Energy》（DOI:10.1016/j.nanoen.2023.109195）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109195