DOI: 10.1021/acsnano.0c10817
在植物與環境之間建立一個智能接口對于實時監測植物的健康狀況至關重要，尤其是對于提高農業產量而言。盡管各種傳感器的進步使自動監測成為可能，但是為這些電子設備開發可持續的電源仍然是一項艱巨的挑戰。在此，采用同時靜電紡絲和電噴霧法設計了一種基于聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）納米纖維包埋氟化碳納米管（F-CNT）微球的防水透氣摩擦電納米發電機（WB-TENG）。以碳納米管（CNT）為電極，WB-TENG顯示出微納米級的分層多孔結構和高靜電粘附力，具有330.6μW cm-2的高輸出功率密度、透氣性和疏水性。此外，WB-TENG可以在不犧牲植物內在生理活性的情況下，共形自附著于植物葉片上，從風和雨滴中獲取典型的環境能量。結果表明，WB-TENG可以用作無線植物傳感器的可持續電源，從而實時監測植物的健康狀況。這項工作實現了構建具有環境適應性和能量清除能力的植物兼容型TENG的構想，在建立自供電農業系統方面顯示出巨大的潛力。
圖1.一種自供電且可持續農業系統的示意圖，該系統基于自附著與植物葉片上的WB-TENG來工作，以收集環境能量，為無線植物傳感器供電，以便與人類進行遠程通信。
圖2.PHFC薄膜的制備和性能。（a）WB-TENG的制造過程示意圖。（b）WB-TENG的SEM圖像，顯示（ii）PHFC薄膜和（iii）沉積在薄膜上的CNT電極的（i）橫截面圖和平面圖。（c）證明PHFC薄膜具有疏水性的照片（插圖顯示其水接觸角約為146°），并且可以附著在諸如玻璃和金屬之類的不同基材上。
圖3.PHFC薄膜的形態、疏水性和透氣性。（a）由PVDF-HFP納米纖維和F-CNT微球組成的PHFC復合纖維膜的SEM圖像。（b）F和C的EDS映射圖像。（c）展示F-CNT微球形成過程的示意圖。（d）純F-CNT膜和具有不同含量F-CNT微球的電噴涂PHFC復合膜的水接觸角。（e）比較F-CNT微球含量不同的PHFC復合膜的水蒸氣透過率。（f）疏水PHFC薄膜和先前報道的文獻中其它電紡薄膜之間的WTVR比較。WTVR測定在38℃、50％相對濕度下進行。
圖4.在30N和5Hz下測定具有PHFC薄膜和Al的WB-TENG的摩擦電性能：（a）TENG的輸出Voc和（b）Isc，其PHFC薄膜中的F-CNT含量不同。（c）在初始狀態下和充分摩擦后，F-CNT含量不同的PHFC薄膜的表面電位。（d）純PVDF-HFP薄膜和（e）含12wt％F-CNT微球的PHFC薄膜的共焦圖像。（f）PHFC薄膜和純PVDF-HFP薄膜的表面粗糙度。
圖5.靜電附著WB-TENG至植物上，用于風能收集和自供電應用。（a，b）附著在不同種類植物上的WB-TENG的照片，顯示了其輕巧的特性、柔性和與植物的高親和力。（c）PHFC薄膜與不同類型葉片的粘附壓力。（d）附著在植物葉片上以收集能量的WB-TENG的照片。（e，f）WB-TENG在人造風下的輸出電壓會導致葉片與葉片之間的接觸分離，雨天以水滴為接觸點。
圖6.（a）插入土壤的植物傳感器的照片，可以將其連接到移動電話。（b）WB-TENG對4.7mF電容器的充電和放電曲線，插圖顯示電路圖。（c）移動電話的快照，顯示其與由WB-TENG驅動的工廠傳感器成功連接。（d）照片顯示植物的生長情況，WB-TENG附著在其中一片葉子上。
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