对可再生能源和小型机械能的有效利用是减少能源损失、对抗能源危机重要举措之一。作为一种新兴能源技术，摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator，TENG)可以将生活中无规则的微小低频机械能有效转换为电能，也可以用作自驱动传感器进行机械信号检测，为可穿戴电子器件提供电能供应，在柔性器件和电子皮肤等领域具有重要应用。如何有效提高TENG的输出性能是该领域的研究重点之一。开发高性能电纺纳米材料基TENG对促进纳米技术、柔性器件和能量收集的发展具有重要意义。
近日，长春理工大学董相廷教授和谢云蕊副教授在期刊《Sustainable Materials and Technologies》上，发表了最新研究成果“Performance optimization strategy for triboelectric nanogenerator based on electrospun nanomaterials: A review”。该综述中，研究者概述了电纺纳米材料基TENG的相关研究成果和性能优化策略并讨论了未来研究方向和挑战，旨在为有效开发高性能电纺纳米材料基TENG提供多角度研究思路。
首先，研究者介绍了电纺纳米材料基TENG的工作机理和结构组成（图1），强调了电荷捕获层的重要性。TENG工作过程中，在电荷产生层产生大量的摩擦电荷，在电荷收集层产生具有相反电性质的感应电荷。值得注意的是，摩擦电荷在电场的作用下可与感应电荷相结合，这种结合会明显降低摩擦电荷的积累。然而，如果在电荷产生层和电荷收集层之间设计并构建额外的电荷捕获层，即可有效捕获摩擦电荷、阻止电荷结合、减少电荷耗散，促进摩擦电荷在电荷产生层表面的积累，进而有效提高电纺纳米材料基TENG的输出性能。因此，电荷捕获层的设计和优化是开发高性能电纺纳米材料基TENG的一个重要研究策略。
图1 垂直接触-分离模式电纺纳米材料基TENG的工作机理(a)和结构组成(b)
然后，讨论了电纺技术、聚合物基质、材料形貌调控对电纺纳米材料基TENG性能的影响机理。重点指出，在具有特殊微观结构的1D纳米材料中，不同功能物质可以限制在独立的微观区域中，有效减少不同功能之间的有害干扰，因此这种特殊的1D电纺纳米材料可以用作构建单元，制备具有宏观通用性的薄膜材料，进而为电纺纳米材料基TENG的开发提供更加丰富的材料选择。
随后，从不同角度总结了电纺纳米材料基TENG的性能优化策略（图3），包括电纺技术的创新、基质材料的选择和优化、电纺纳米材料宏观及微观形貌的调控、电荷捕获能力的提高以及TENG结构的优化，并对相关研究进展进行了讨论和比较。与传统的纳米纤维相比，强调了具有特殊结构的1D纳米材料对提高电荷捕获能力的重要作用。例如，Janus纳米纤维可用于构建柔性膜并进一步开发TENG。掺杂物质和聚合物基体之间通过建立两相界面作为有效捕获位点，及时捕获摩擦电荷，阻断摩擦电荷和感应电荷相结合，促进摩擦电荷的积累。在不对称的Janus结构中分别引入不同的功能物质，使Janus纳米纤维在微观上实现电荷产生-电荷捕获双功能，使柔性膜同时作为电荷产生层和电荷捕获层，实现集成结构及一体化构筑，因此，可以在不增加额外电荷捕获层的情况下显著提高摩擦电荷密度。
图3 电纺纳米材料基TENG的性能优化策略
最后，分别从电纺技术的革新、特殊结构纳米材料的发展、TENG及纳米材料稳定性的提升、重要性能限制的突破、辅助性能的提高等几方面指出了电纺纳米材料基TENG的未来研究方向和挑战。电纺纳米纤材料作为高性能TENG的关键材料，通过其独特的结构特性和可调控的物理化学性质，为TENG的性能提升和应用拓展提供了强有力的支持。随着电纺技术的不断创新和电纺纳米材料的深入发展，电纺纳米材料基TENG将在柔性电子、可穿戴设备和物联网等领域发挥越来越重要的作用。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.susmat.2025.e01773
团队简介：
通讯作者：董相廷，长春理工大学化学与环境工程学院教授，博士，博士生导师。从事纳米材料与技术研究，主要研究方向为：电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米结构材料与特性研究；电纺技术构筑稀土化合物一维纳米材料与发光性能研究；电纺、水热与溶剂热等及其结合技术构筑低维纳米材料与表征，并将所构筑的低维纳米材料应用于光催化分解有机污染物、光催化分解水制氢、电催化析氢和析氧、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器和气体传感器。以第1名获吉林省技术发明一等奖1项、技术发明二等奖1项、自然科学二等奖1项和吉林省自然科学学术成果奖一等奖2项；以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Matter, Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., Renew. Energ., ACS AMI, Compos. Sci. Technol., Sensor Actuat B: Chem, J. Mater. Chem. C, Nanoscale等国际重要期刊发表论文500余篇，D指数44 (Research. Com)；获授权国家发明专利100余件；研究成果引起领域内同行的高度关注。
第一作者：谢云蕊，长春理工大学化学与环境工程学院副教授，博士，硕士生导师，吉林省高层次D类人才。主要从事光电纳米材料及纳米材料基摩擦纳米发电机（TENG）器件的开发与应用研究。主持国家自然科学基金青年项目、重庆市自然科学基金、吉林省自然科学基金等多个项目。以第一作者和通讯作者在Matter, Chem. Eng. J., J. Colloid Interf. Sci., Sustain. Mater. Techno., Nanoscale, J. Mater. Chem. C等国际重要期刊发表论文20余篇，包括ESI 1%论文1篇。申请国家发明专利3件，授权国家发明专利1件。
（共同）第一作者：刘佳，长春理工大学化学与环境工程学院在读博士研究生，主要从事电纺纳米材料基光敏型摩擦纳米发电机的构筑及应用研究。
