基于摩擦起电和静电感应的摩擦电纳米发电机（TENGs）因其成本低、材料选择广、制备简单、采集频率宽等优点，在众多机械能收集方法中备受关注。然而，TENG较低的输出性能严重限制了其大规模应用。通过大量研究发现，合理调控摩擦层材料的成分对于提升TENG的性能至关重要。

近日，西安电子科技大学常晶晶教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Compositional Engineering of Hybrid Organic–Inorganic Lead-Halide Perovskite and PVDF-Graphene for High-Performance Triboelectric Nanogenerators”。研究者通过合理调控Cs_0.05FA_0.95−xMA_xPbI₃钙钛矿薄膜中MA的含量和PVDF-graphene（PG）纳米纤维中石墨烯的含量，成功提升了TENG的输出性能。

图1：TENG的结构和摩擦材料表征。

团队通过热刮涂和静电纺丝的方法分别制备了正摩擦层钙钛矿薄膜和负摩擦层PVDF-graphene（PG）纳米纤维。图1显示了TENG的结构和不同MA含量的钙钛矿膜(Cs_0.05FA_0.95−xMA_xPbI₃)与不同石墨烯含量的PG(PG-y)纳米纤维膜的基本表征。

图2：PG-y纳米纤维的介电性能、导电性和摩擦电输出性能。

首先研究了PG纳米纤维膜中石墨烯的含量对TENG输出性能的影响。0.15 wt.%的石墨烯加入时，PG-0.15纳米纤维膜的介电性能、电导率以及基于其的TENG的输出性能达到最大。

图3：Cs0.05FA0.95−XMAXPbI3/PG-0.15 TENGs的摩擦电输出性能。

通过对钙钛矿最优MA含量的研究，基于Cs_0.05FA_0.9MA_0.05PbI₃/PG-0.15的TENG在60 N的外部压力和3 Hz的接触频率下输出了245 V的开路电压、24 μA的短路电流和80.2 nC的转移电荷，可以实现机械能的采集。

图4：Cs0.05FA0.95−XMAXPbI3/PG-0.15 TENGs的输出性能。

相对于其它器件，输出性能最优的TENG在整个负载电阻范围内的输出功率均表现出最大值。其中，外电路负载为100 MΩ时的输出功率密度达到11.23 W m⁻²。

图5：Cs0.05FA0.9MA0.05PbI3/PG-0.15 TENG的应用演示。

通过12000次的循环测试和2个月后的测试表明，TENG具有较好的稳定性和耐久性。另外，经过整流后的TENG的输出可以快速为电容器充电，并成功驱动商业LED和数码管。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c17203.