DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105670
本文首次提出可將電紡MXene（Ti3C2Tx）功能化聚偏氟乙烯（PVDF）復合納米纖維作為一種提高摩擦電能量收集性能的極具潛力的負摩擦電層。將Ti3C2Tx納米片混合到PVDF基質中，然后采用標準的靜電紡絲工藝，以改善納米纖維的介電性能和表面電荷密度，從而顯著提高摩擦電性能。采用MXene導電納米片對PVDF納米纖維進行介電調制，使納米纖維的介電常數和表面電荷密度分別提高了270％和80％。制備了基于PVDF/MXene復合材料（PMC）納米纖維和尼龍6/6納米纖維的摩擦電納米發電機（TENG），其在2MΩ的匹配負載下可以提供4.6mW的峰值功率（功率密度：11.213 Wm-2），比本研究制備的PVDF納米纖維高出1.58倍。所制備的TENG在低頻沖擊下顯示出優異的性能，輸出信號非常穩定（>60K循環），能夠快速為存儲電容器充電，并可持續地運行低功率電子設備和商用LED。除了能量收集之外，TENG可作為一種自供電腳步運動傳感器，它可以根據人在樓梯上的腳步運動自動控制階梯燈。
圖1.PVDF/MXene復合材料（PMC）納米纖維的化學結構和表征。（a）化學結構和圖解說明MXene由于協同作用混入PVDF基體中形成H鍵的影響。（b）所制備的電紡尼龍6/6納米纖維的FESEM圖像。（c）電紡PVDF納米纖維的FESEM圖像。（d）所制備的PMC納米纖維的FESEM圖像（插圖顯示纖維上的納米級粗糙度）。（e，f）PMC納米纖維的TEM圖像顯示MXene納米片嵌入PVDF基質中。（g）含10wt％MXene濃度的PMC納米纖維的EDS元素映射。（h）具有不同MXene重量百分比的PMC納米纖維的XRD光譜。（i）FTIR數據對應PVDF納米纖維中所含的不同MXene重量百分比。（j）PMC納米纖維C1s的XPS全譜。
圖2.PVDF/MXene的電氣特性，設備原理圖，運行和模擬。（a）介電常數的測量值與頻率的關系圖。（b）介電損耗的測量值與頻率的關系圖。（c）具有不同Mxene含量的PMC納米纖維的電導率隨頻率的變化曲線。（d）所制備的TENG的示意圖和光學照片。（e）TENG的工作原理和相應的信號產生過程。（f）對不同層間距的TENG進行了COMSOL模擬，并給出了相應的表面電勢圖。
圖3.TENG的電氣特性。（a）研究了聚偏氟乙烯（PVDF）中MXene含量對TENG的開路電壓（Voc）波形的影響。（b）研究了聚偏氟乙烯（PVDF）中不同MXene含量對TENG的短路電流（Isc）波形的影響。（c）研究了PVDF中不同MXene含量對TENG的電荷波形的影響。在變化的輸入頻率下測得的TENG的（d）Voc，（e）Isc和（f）電荷波形。在1Hz頻率下，測定TENG在不同垂直沖擊力下的（g）Voc，（h）Isc和（i）電荷波形。
圖4.TENG的電氣性能分析。（a）TENG的Voc、Isc和轉移電荷與MXene含量（wt％）之間的關系。（b）TENG的Voc、Isc和轉移電荷與輸入激發頻率之間的關系。（c）TENG的Voc、Isc和轉移電荷與垂直沖擊力之間的關系。（d）在不同負載條件下，TENG的負載電壓和峰值功率曲線。（e）通過TENG充電的各種電容器的電容器電壓特性曲線。（f）就峰值功率密度和電流密度而言，所制備的PMC納米纖維基TENG與先前類似報告的性能比較。
圖5.TENG的應用和演示。（a）帶有整流器電路的TENG的示意圖，串聯連接的120多個LED的照片，以及通過簡單的手輕敲動作由TENG接通相應LED的照片。（b）用于運行商業運動手表的電容器的充電和放電特性曲線（插圖顯示了打開狀態的濕度計）。（c）通過手輕敲動作由TENG運行溫濕度傳感器所用電容器的充放電特性曲線（插圖顯示了溫濕度計傳感器的開啟狀態）。（d）用作自供電腳步運動傳感器的TENG的示意圖，可根據人的腳步運動自動控制樓梯上的燈。（e）（i）所制備的TENG用作自供電腳步運動傳感器的照片；（ii）傳感器數據處理和控制電路；（iii）臺階上的傳感器和LED布置；以及（iv）實時階梯燈控制應用演示。（f）TENG在6Hz輸入頻率下的耐久性測試電壓波形。
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