DOI:10.1021/acsami.0c14490
在可穿戴電子設備的應用中，能量轉換和存儲設備的小型化引起了人們的高度關注。與薄膜基柔性電子產品相比，纖維基可穿戴電子產品（例如，由電紡納米纖維制成的納米發電機和傳感器）在可穿戴設備方面更具吸引力和前景。然而，當前的壓電納米纖維存在功率輸出低和傳感能力差兩大瓶頸，這嚴重阻礙了其實際應用。在此，研究者將氧化鋅納米棒（ZnO NRs）集成到一種鮮為人知的壓電聚合物聚丙烯腈（PAN）納米纖維中，形成ZnO/PAN納米織物，其壓力靈敏度和振動能量收集能力比原始PAN納米纖維增加了約2.7倍，最大輸出功率密度約為10.8 mW·m-2。值得注意的是，ZnO/PAN納米織物的功率輸出約為ZnO/PVDF納米織物的兩倍。結果表明，ZnO NRs的加入明顯改善了PAN納米纖維微觀結構中的平面之字形構象。此外，機械堅固的壓力傳感器和可穿戴電源的成功演示證實了其在人體活動監測和個人熱量管理方面的應用潛力。
圖1.PENG的ZnO/PAN基納米織物的制備過程示意圖。
圖2.PAN納米纖維膜和ZnO/PAN納米織物的表征。（a）PAN納米纖維和（b）ZnO/PAN納米纖維的SEM圖像（插圖：相應的橫截面）。（c）單根ZnO/PAN納米纖維和相應的EDS圖譜。（d）PAN粉末、PAN納米纖維膜和ZnO/PAN納米織物的FTIR光譜。（e）PAN粉末、PAN納米纖維膜和ZnO/PAN納米織物的XRD圖譜。
圖3.PAN納米纖維和ZnO/PAN納米織物的壓電性能。（a）壓電輸出電壓。外部負載電阻對（b）PAN和（c）ZnO/PAN的峰值電壓和電流的影響。（d）外部負載電阻對功率輸出的影響（所有樣品均以2Hz和8N進行測量）。
圖4.（a）PAN和ZnO/PAN納米織物中殘余電荷隨異丙醇浸泡時間和干燥時間的變化。PAN納米纖維膜和ZnO/PAN納米織物中殘余電荷（b），平面間距（c）和電壓輸出（d）隨異丙醇處理次數的變化。重復去除電荷處理前后PAN納米纖維膜（e）和ZnO/PAN納米纖維（f）的電壓輸出（工作面積16cm2；膜厚度100μm；頻率2Hz；沖擊力8N）。
圖5.不同基材上ZnO NRs的SEM圖像，（a）紙張，（b）PP，（c）PVDF和（d）PAN。四種不同基材的電壓輸出（e）和電流（f）比較（工作面積16cm2；膜厚度100μm；頻率2Hz；沖擊力8N）。（g）沖擊力，（h）納米織物尺寸和（i）沖擊頻率對ZnO/PAN基PENG壓電性能的影響[（g）工作面積16cm2；頻率2Hz；（h）沖擊力8N；頻率2Hz；（i）工作面積16cm2；沖擊力8N。所有膜的厚度均為100μm]。
圖6.PENG產生的電能用于驅動商用電發熱鞋墊的應用。（a）自動加熱鞋墊的示意圖。（b）行走過程中ZnO/PAN基納米織物PENG產生的輸出電壓；（i）原始數據和（ii）校正后的數據。（c）奔跑過程中ZnO/PAN基納米織物PENG產生的輸出電壓；（i）原始數據和（ii）校正后的數據。（d）鞋墊的數碼照片和紅外圖像。（e）三種鞋墊的表面溫度隨運動時間的不同而變化。（f）ZnO/PAN納米織物的加載和卸載循環測試（插圖顯示測試開始和結束時性能穩定）。
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