基于摩擦電氣化和靜電感應效應的摩擦納米發電機(TENGs)于2012年首次亮相，是一種新興的能源收集技術。TENGs具有將低頻、不規則和小規模機械能轉化為電能，從而有效利用環境能源的潛力。TENGs材料來源廣泛、器件結構簡單、成本低、環保等顯著優點，已成為智能便攜式電子、可穿戴設備、電化學過程和自供電傳感器系統的理想能源供應商候選產品。
鈦酸鋇納米粒子(BT NPs)作為一種無機壓電陶瓷，具有優異的介電性能，作為納米器件廣泛應用于TENG復合薄膜中。BT NP的加入顯著提高了TENG的性能，使復合薄膜的壓電常數增大，介電常數增大。但部分BT NPs由于與PVDF不兼容而聚集成大集群，阻礙了TENG性能的進一步提升。同軸電紡絲操作簡便，有望提高多組分電紡絲的可紡性，即使是不相容的材料也可以通過同軸電紡絲的方式被電紡成單一纖維，這樣可以保持每種材料的固有特性。這解決了摩擦電材料的分散性和不相容性差的問題，并可大大拓寬摩擦電材料的性能。
東華大學黃濤老師課題組采用改進的雙組分同軸靜電紡絲法制備了PDMS/BT@PVDF核殼納米纖維，構建了一種新型摻雜鈦酸鋇同軸納米纖維摩擦納米發電機(BTCN-TENG)，在納米尺度上通過介電和分散性調制提高了輸出性能。將高介電常數的四相BT納米膜引入到核殼納米纖維的PDMS核心層中，取代了傳統的復合膜。采用溶膠-凝膠水熱法合成了四方相BT NPs，將BT NPs的含量調至2.4 wt%，驗證了BT NPs在PDMS基質中的分散性優于PVDF基質。分散性的改善提高了PDMS/BT@PVDF納米纖維的介電常數，也提高了摻鈦酸鋇同軸納米纖維摩擦發電機(BTCN-TENG)的相應性能。由BTCN-TENG產生的電能可以點亮140個商用led燈，驅動電子手表、計算器和無線智能開關等智能設備，而無需外部能源。因此，本研究為構建高性能摩擦納米發電機提供了一種可行而有效的途徑。相關研究論文以“Synergistic enhancement of coaxial nanofiber-based triboelectric nanogenerator through dielectric and dispersity modulation”為題目發表于期刊《Nano Energy》上。
圖1 (a) BT NPs形態的FE-SEM圖像。插圖:BT NP直徑分布直方圖，平均值為83.69×17.28 nm。(b)制備的BT NPs(上)和四方相BT (JCPDS卡號05-0626)(下)的XRD圖譜。(c) BT NPs的拉曼光譜。(d) PDMS/BT溶液制備過程和(e)同軸靜電紡絲裝置的示意圖。(f)原理圖及(g)制作的BTCN-TENG的光學照片。
圖2.接觸/分離頻率為2 Hz時，不同BTCN-TENG的電學測量。 （a）書形BTCN-TENG的工作機制。 （b）輸出電壓，（c）短路電流和（d）傳遞原始質量的基于PVDF的TENG和BT NP重量比為0、0.3，1.2、2.4和3.6重量％。
圖3 (a)介電常數值和(b)介電損耗對不同BT NP含量的電紡絲納米纖維氈測量頻率的依賴性。(c)介質-介質接觸模式BTCN-TENG的理論模型和等效電線路圖。BT NP含量為0.3、1.2、2.4和3.6 wt%的電紡絲PDMS/BT@PVDF納米纖維(d) - (g)表面形貌和(h) - (k)橫截面的FE-SEM圖像。
圖4 PDMS@ PVDF /2.4 wt% BT和PDMS/2.4 wt% BT@PVDF納米纖維墊的表征。(a)、(b) TEM圖像。納米纖維氈的(c)介電常數和(d)介電損耗與頻率的相關性。接觸/分離頻率為2Hz的BTCN-TENGs(e)輸出電壓(f)短路電流(g)兩者的轉移電荷密度。
圖5. BTCN-TENG在應用中充當電源。 （a）負載輸出電壓（左軸），電流（右軸）和（b）電機的瞬時功率密度優化的BTCN-TENG，負載電阻為10 1–106KΩ。 （c）最佳的BTCN-TENG在充電30秒后連接到各種電容器（1、3.3、4.7、10和22μF）時測得的電壓。 （d）串聯連接的140個藍色LED的同時照明的原理圖和（e）數字照片。 （F）全波橋式整流器電路原理圖，用于為22μF電容器充電，以便通過手敲擊為電子設備連續供電。 充放電最佳BTCN-TENG的曲線，以驅動（g）電子表和（h）計算器。 插圖：工作條件下電子設備的照片。 （i）使用電源管理在機械振動下供電以觸發燈泡熄滅（左圖）和開啟（右圖）的無線智能開關的照片。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104894
