Nano Energy：基于電紡聚偏氟乙烯納米纖維的新型摩擦納米發電機用于有效的聲能收集

物聯網(IOT)的快速發展促進了各種低功耗電子設備的廣泛應用，因此，有效地為這些電子設備供電在過去的幾十年里受到了極大的關注。聲能作為一種無處不在的可再生能源，廣泛分布在世界各個角落，如工廠機器和建筑工地的噪音。聲能捕獲并不普遍作為其他類型的能量收集，這主要歸因于其相對較低功率密度和缺乏有效的清除技術。在以往的聲能采集研究中，大部分研究都集中在壓電發電機上，壓電發電機存在結構復雜程度高、輸出性能低等缺點。此外，許多設備的工作頻率通常在幾千赫茲到兆赫之間，而日常生活中實用的聲源主要由低頻元件組成，這使得這些設備效率低下。摩擦電納米發電機作為一種新興技術，已成為解決這些問題的理想途徑。由于電氣化和靜電感應的耦合作用，可以很容易地以較低的成本和相對簡單的結構實現顯著的電輸出。

近日，香港中文大學和河南大學研究者構建了基于電紡聚偏氟乙烯(PVDF)納米纖維的摩擦納米發電機(TENG)，以輕薄的PVDF納米纖維為振動膜，方便低頻聲波的能量捕獲。更重要的是，通過將TENG與聚合物管集成，振動膜采集到的聲波可以由未定義的聲波轉換為平面波，從而提高聲壓，提高電輸出。在170 Hz和115 dB聲波下，TENG產生400 V的開路電壓和175μA的短路電流，瞬間最大峰值功率密度為7 Wm-2。 收集的聲能可以同時點亮55個商用發光二極管（LED）。TENG可以通過比較不同聲壓和頻率下的電信號，利用20 Hz到1000 Hz的寬帶聲波驅動，進行聲頻分析和噪聲檢測。此外，所制備的TENG還可以作為自供電的有源傳感器，用于檢測聲源方向和發聲對象的運動速度。該工作不僅為制造高性能的TENG將環境聲能轉化為電能提供了一種簡單、經濟的方法，而且為自供電的傳感提供了一種方法，在軍事監視、人工智能等領域具有潛在的應用前景物聯網和噴氣發動機降噪。相關研究成果以“A Novel Triboelectric Nanogenerator Based on Electrospun Polyvinylidene Fluoride Nanofibers for Effective Acoustic Energy Harvesting and Self-powered Multifunctional Sensing”為題發表于國際著名期刊Nano Energy。

圖1. 聲音驅動的TENG的結構設計和工作原理。（a）TENG與聚合物管結合的示意圖。（b）具有夾層結構的TENG的正視圖。（c-i）和（c-ii）PVDF納米纖維和導電織物的SEM圖像。（d）由聲音驅動的TENG的工作機制。

圖2. 115 dB聲波下聲音驅動的TENG的電輸出。基于不同頻率的PVDF納米纖維TENG的VOC（a）Isc（b）。Voc（c）和Isc（d）在170Hz頻率下的放大視圖。由商用PVDF膜制成TENG的Voc（e）和Isc（f）的對比。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.11.041