可穿戴电子设备和物联网（IoT）的快速发展，对自供电传感技术需求迫切；摩擦纳米发电机（TENG）因能将低频机械能转化为电能，成为电池供电传感器的理想替代方案，但传统 PVDF-HFP 基 TENG 存在输出性能有限、灵敏度不足等问题。提升 TENG 的介电性能、表面电荷密度和稳定性，拓展其在医疗监测（如痴呆症、睡眠障碍）和可穿戴设备中的应用。

基于此，研究者通过静电纺丝技术制备了一种新型复合纳米纤维摩擦纳米发电机（CNF-TENG），其核心材料为硼烯@聚偏氟乙烯 - 六氟丙烯（PVDF-HFP）。对剥离得到的纳米片进行全面材料表征，证实了其晶体片状形貌，并验证了其已成功嵌入纤维中。硼烯的引入实现了双重创新：一方面增强了静电纺丝过程中的射流应力，另一方面提升了掺杂薄膜的质量。这一性能改善源于界面极化作用带来的有效介电常数提升 —— 该效应不仅促进了β相形成、电子给体能力、表面电荷捕获效率及纤维形貌的优化，还使材料表面从疏水状态转变为超疏水状态。当与尼龙 66 纳米纤维配对使用时，CNF-TENG 展现出 53.8±1.2 V/kPa 的卓越灵敏度和 1.2 W/m² 的功率密度，较纯 PVDF-HFP 器件性能提升 13 倍。研究成功展示了由 16 个超高灵敏度 CNF-TENG 传感器组成的阵列，该阵列可用于痴呆症监测和睡眠障碍缓解，能够采集多种睡眠模式及生理数据集。相关研究内容以“Ultra‐Sensitive Nanofiber‐Based Triboelectric Nanogenerator for Energy Harvesting and Self‐Powered Sensing”为题目，发表在期刊《Advanced Materials》上。

CNF-TENG 的材料表征、制备及结构设计

硼烯的剥离合成过程如图 1a 所示：首先对块状硼进行多次离心处理，随后进行多步超声处理。剥离产物的滴铸 TEM 图像显示薄片状纳米结构，具有不规则多边形轮廓和边缘褶皱/皱纹，证实其二维片状形貌（图 1b）。单一片层的高分辨 TEM（HRTEM）图像显示连续晶格条纹延伸至数十纳米（图 1c），表明长程结晶性。

图 1e 为硼烯 @PVDF-HFP 复合溶液的制备流程示意图：硼烯粉末和 PVDF-HFP 颗粒溶解于溶剂中，形成均匀溶液。复合硼烯 @PVDF-HFP 和尼龙 66 均通过静电纺丝工艺制备。所开发的 TENG 结构示意图如图 1g 所示：尼龙 66 纳米纤维膜作为摩擦正电层，硼烯 @PVDF-HFP 复合材料作为摩擦负电层，高导电性铜带用作电荷收集层。两层摩擦电材料均通过薄柔性双面胶与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）外壳（0.96μm）贴合，进一步确保 CNF-TENG 的循环接触分离依赖于外力作用。

图1  硼烯@PVDF-HFP复合纳米纤维的制备与表征。

通过水接触角测试研究硼烯对静电纺 PVDF-HFP 润湿性的影响：纯 PVDF-HFP 纳米纤维膜为疏水型，接触角为 109°（图 2a）；随着硼烯纳米片浓度增加，纳米纤维膜的接触角显著增大，2 wt.% 硼烯时平均接触角达 150.2°（图 2b）。根据Cassie-Baxter理论，这种改善源于硼烯纳米颗粒的添加减小了纤维直径，使纤维膜表面粗糙度增加。此外，硼烯和 PVDF-HFP 均为极性材料，其极性区域之间可产生偶极 - 偶极相互作用或范德华力，这些吸引力使硼烯在静电纺成细纤维时均匀分散在 PVDF-HFP 中。

图2 (a) 纯PVDF-HFP纳米纤维膜的平均水接触角；(b) 硼烯填充量为2 wt.%的硼烯 @PVDF-HFP 复合纳米纤维的平均水接触角；(c) 平均水接触角随硼烯浓度的变化趋势；(d) 纯 PVDF-HFP 纳米纤维膜与硼烯 @PVDF-HFP 复合纳米纤维膜的FTIR光谱图；(e) 晶相（β 相和 γ 相）随硼烯浓度的变化；(f) 不同纳米纤维直径下，基于硼烯 @PVDF-HFP 复合纳米纤维拉曼光谱的β相/α相比值变化；(g) 纯 PVDF-HFP 纳米纤维与硼烯 @PVDF-HFP 复合纳米纤维的XRD图谱；(h,i) 不同硼烯浓度下复合纳米纤维的介电常数和介电损耗随频率的变化；(j) PVDF-HFP 纳米纤维中微电容器的形成示意图；(k) 低硼烯填充量、(l) 高硼烯填充量的硼烯 @PVDF-HFP 复合纳米纤维中微电容器的形成示意图。

为提高器件电输出性能，采用硼烯 @PVDF-HFP 纳米纤维作为摩擦负电层，尼龙 66 纳米纤维作为摩擦正电层（尺寸 4×4 cm²）。通过测试不同硼烯浓度（0-2 wt.%），系统研究了硼烯与 PVDF-HFP 复合材料的混合浓度对输出性能的影响，优化了 TENG 的电输出效率。图 3a-c 分别展示了纳米纤维膜中不同硼烯浓度下 CNF-TENG 器件的开路电压、短路电流和转移电荷（测试条件：频率 3 Hz，施加力 30 N）：随着 PVDF-HFP 复合纳米纤维中硼烯浓度从 0 增加到 1 wt.%，峰峰值开路电压从 160 V 增加到 510 V，短路电流从 11.6 μA 增加到 21.3 μA，转移电荷从 50 nC 增加到 120 nC；与纯 PVDF-HFP 纳米纤维相比，1 wt.% 硼烯 @PVDF-HFP 基 CNF-TENG 的开路电压、短路电流和短路电荷分别提升了约 3 倍、2 倍和 2.4 倍。硼烯与 PVDF-HFP 复合材料的整合之所以能增强 CNF-TENG 的摩擦电性能，是因为复合材料的晶相（β 相）和介电性能得到改善。

含 1 wt.% 硼烯填料的硼烯 @PVDF-HFP 复合纳米纤维膜表现出最高的电学性能：如图 3d 所示，输出峰峰值开路电压达到 510 V。由于其优异的输出性能，进一步采用优化的 1 wt.% 硼烯浓度复合纳米纤维对 CNF-TENG 进行研究：探究输入激励频率对 CNF-TENG 性能的影响，结果表明输出电压和电流随输入频率变化呈正比增加（图 3e、f）—— 频率从 1 Hz 增至 7 Hz 时，开路电压从 175 V 增至 1080 V，短路电流从 7.5 μA 增至 40.2 μA。

图 3 基于不同参数的 CNF-TENG 电学性能研究。

图4 CNF-TENG 在施加力 30 N、工作频率 3 Hz 条件下的输出性能。

图 5 (a) 将不同规格电容器充电至 3 伏的电压波形；(b) 、(c) 分别为 CNF-TENG 作为能量收集器为秒表和计算器充电时，10 微法（µF）电容器的充放电电压波形；(d) 基于 CNF-TENG 的智能睡眠活动监测系统（作为自供电压力传感器）示意图；(e) 传感器阵列在床面上的位置（分为五个区域）；(f) 基于不同睡眠活动和传感器位置的 16 个传感器数据响应曲线。

结论

综上，本研究通过静电纺丝技术成功制备了一种超疏水复合纳米纤维摩擦纳米发电机（CNF-TENG），其以硼烯@聚偏氟乙烯 - 六氟丙烯（PVDF-HFP）为摩擦负电层，尼龙 66 纳米纤维为摩擦正电层。二维硼烯的引入通过界面极化作用提升了材料的有效介电常数，并促使 PVDF-HFP 的 β 相含量从 47% 提升至 82%，进而增加了可持续表面电荷与器件输出性能。优化后的器件在 30 MΩ负载下，峰峰值开路电压达到 510 V，最大功率密度为 1.2 W/m²。值得注意的是，作为能量收集器，该 CNF-TENG 在实际使用场景下，仅需轻柔敲击即可为秒表、计算器等低功耗电子设备供电；同时，它还可作为自供电压力传感器，在 3 Hz频率下灵敏度高达 53.8 V/kPa，并成功实现了实时睡眠监测。本研究突显了硼烯的多功能特性，为先进摩擦纳米发电机在可穿戴设备与生物医学领域的应用提供了可规模化的技术路径。未来研究应聚焦于优化硼烯的剥离与功能化工艺，进一步提升材料的结构稳定性、界面相容性和介电性能，以拓展其在心率监测、呼吸频率追踪等医疗监测场景中的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202521626