随着 IoT（物联网）概念和 AI（人工智能）技术的快速发展，便携式电子设备在提高人们的生活质量方面受到了极大的关注。硬件的持久应用依赖能源的可持续性，物联网的成功需要分布式电源，都迫切要求科研人员寻找到合适的能源配备，这将是人类全面踏入智能世界的关键钥匙。能够收集低频机械能的摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator, TENG）是新时代能源配备的最佳选择之一。
近日，苏州大学王萍教授和张岩教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“High-performance triboelectric nanogenerators doped with carbon nanomaterials derived from cobalt-nickel bimetallic organic frameworks for harvesting low-frequency mechanical energy”。研究者通过单针静电纺丝工艺，与金属有机框架(MOF)衍生的金属碳纳米材料(CoNi-NC)结合制备出高电负性的聚偏二氟乙烯(PVDF)复合纳米纤维膜(CNF)。与原始的PVDF NF相比，所得的CoNi-NC/PVDF CNF表现出更优良的摩擦电性能。
在高温下碳化得到钴镍碳框架纳米材料(CoNi-NC)由于有机组分的碳化，导致出现表面收缩现象或部分塌陷现象，但仍能大概保持原本框架，金属钴和镍在其表面均匀分布，其微观尺度大概在400±50 nm。此外，CoNi-NC的掺入还改变了PVDF纳米纤维的表面形貌，由原始的光滑平整到表面明显出现颗粒状的凸起，从而提高了表面接触面积。
图1：CoNi-NC的形貌及其在PVDF中的掺杂表现。
CoNi-NC的存在还提高了PVDF中电负性更高的β相的含量和介电性能。在静电纺丝高压电场和填料的双重作用下，β相含量收到进一步的诱导形成，并通过傅里叶红外变化光谱定量测试。由于纳米粒子的添加使得微电容网络的形成和微观偶极子的形成，介电填料的掺入也使得CoNi-NC/PVDF CNF的介电性能得到提高。在正负摩擦电层接触时，平衡两种材料接触分离时费米能级的差异而需要更大的电子流动，这意味着它们应用于TENG的潜力。
图2：β相含量及介电性能
得益于双金属的协同效应表现出暴露的活性位点以及高稳定性和导电性。这些金属节点均匀分布在其中，可作为多个电荷载流子转移路径加速电子逸出。CoNi-NC/PVDF CNF组装的TENG不仅电输出性能得到大幅度提升，还拥有长达两小时运行的耐用性和稳定性。
图3：组装的TENG的性能
此外，具有着强大的能量收集能力，通过桥式整流后能够驱动小型低功率电子设备和串联发光二极管。最后，还研究了TENG在自供电触控器件方面的潜力，为接下来的进一步应用发展提供了方向。
图4：TENG的应用
论文链接： https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.159111
人物简介：
王萍，苏州大学非织造材料与工程系教授，博士生导师。主要研究方向包括纺织结构复合材料、纺织基功能性材料。近五年来在Advanced Science、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊上发表SCI检索论文73篇，其中高被引论文2篇，H指数17；累计授权国家发明专利19件，实用新型专利27件，中国纺织工程学会高级会员，担任国内外多个学术期刊的青年编委和审稿人。
