DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105599
作為智能電子設備的一種很有前途的可持續電源，摩擦電納米發電機（TENG）受到了人們的廣泛關注。近年來，研究人員正致力于尋求多種策略以提高其輸出性能。但是，這些用于優化摩擦電材料的方法大多集中在化學成分調制或表面微結構的制備上。在這項工作中，考慮到上述兩個方面，研究者提出了一種利用石墨烯納米片結合靜電紡絲技術構建高性能聚偏氟乙烯（PVDF）基TENGs的有效策略。因此，PVDF/G NF-PA6 TENG具有優異的摩擦電性能，其輸出電壓約為1511V，短路電流密度為189 mA m-2，最大功率密度約為130.2 W m-2，比PVDF-PA6 TENG高出近八倍。此外，在阻抗匹配條件下，PVDF/G-PA6 TENG每個循環可收集約74.13μJ的能量，平均輸出功率密度為926.65 mW m-2。研究表明，石墨烯的成分調制和通過靜電紡絲制備的納米纖維結構均有助于提高PVDF/GNF薄膜的摩擦電性能。這項工作為同時優化摩擦電材料的化學成分和表面微觀結構提供了一種有效的策略，使TENGs的輸出性能得到了顯著改善，并進一步促進了TENGs的廣泛應用。
圖1.PVDF/G-PA6 TENG的設計和制備示意圖。（a）所制備TENG裝置的3D示意圖和（b）照片。（c）旋涂和電紡PVDF/G雜化膜的制備過程。（d）PA6，PVDF/G和PVDF/G NF膜的SEM圖像。
圖2.電紡PVDF/G納米纖維的微觀結構表征。（a）電紡PVDF/G納米纖維的SEM圖像，（b）X射線衍射圖和（c）FT-IR光譜，其中G NSs濃度為0至2.0wt％。
圖3.PVDF/G NF-PA6和PVDF/G-PA6 TENGs的電氣輸出特性。（a）PVDF/G-PA6 TENGs的輸出電壓，（b）短路電流密度和（c）最大輸出電壓、電流密度和轉移電荷密度，其中石墨烯納米片含量從0wt％至2.0wt％不等。（d）平面PVDF/G-PA6 TENGs的輸出電壓，（e）短路電流密度和（f）最大輸出電壓、電流密度和轉移電荷密度，其中石墨烯納米片含量從0wt％至2.0wt％不等。（g）PVDF-PA6（PVDF膜），PVDF/1.5wt％G-PA6（PVDF/G膜），PVDF NF-PA6（PVDF NF），PVDF/1.5wt％G NF-PA6（PVDF/G NF）TENGs的短路電流和（h）瞬時功率密度，外部負載電阻范圍為0.1至1000MΩ。（i）在阻抗匹配條件（R=200MΩ）下，四種TENGs在一個周期內的輸出功率。
圖4.在不同工作條件下，PVDF/1.5wt％G NF-PA6 TENGs的電輸出特性。（a）輸出電壓，（b）在10N至90N不同接觸力下的短路電流密度和輸出電荷密度。（c）輸出電壓，（d）在1Hz至9Hz不同工作頻率下的短路電流密度和輸出電荷密度。（e）輸出電壓，（f）在3mm至7mm不同間隔距離下的短路電流密度和輸出電荷密度。
圖5.PVDF/G NF-PA6 TENG的工作機制。（a）PVDF/G NF-PA6 TENG操作機構的示意圖。（b）TENG在一個工作周期內的短路電流信號。（c）TENG電極在開路條件下的電位分布，由COMSOL模擬不同分隔距離。
圖6.光滑PVDF/xwt％G（x=0、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0）薄膜的KPFM表征，以及基于純PVDF薄膜的TENGs的摩擦電輸出特性。（a）具有不同濃度石墨烯納米片的旋涂PVDF/xwt％G膜的KPFM圖像和（b）VCPD。（c）由純PVDF薄膜作為正摩擦層和包括PVDF/1.5wt％G膜（PVDF/G）、純PVDF NF和PVDF/1.5wt％G NF（PVDF/G NF）薄膜的不同負摩擦層組成的TENGs的輸出電荷密度，（d）電壓和（e）短路電流密度，左半部分為正向連接，右半部分為反向連接。
圖7.20×20mm2 PVDF/G NF-PA6 TENG作為電源的應用。（a）一個PVDF/G NF-PA6 TENG以5Hz的工作頻率運行80,000個周期的穩定性，（b）前十個周期和最后十個周期的輸出電壓，以及（c）該TENG在周邊環境中存儲一個月的耐久性。（d）帶外部道路的整流電路配置。（e）TENG的整流輸出直接點亮了180個白色LEDs。（f）由PVDF/G NF-PA6 TENG在5Hz的工作頻率下充電的不同電容器（80μF，107μF，227μF，337μF和477μF）。（e）由PVDF/G NF-PA6 TENG在5Hz的工作頻率下驅動的不帶內置電池的商用計算器。
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