纳米发电机

摘要 将钛酸钡( BT )纤维和BT粉末分别与聚二甲基硅氧烷( PDMS )基体相和叉指电极( IDE )结合，制备了一种柔性压电纳米发电机( FPENG )。采用静电纺丝法制备BT纤维。采用X射线衍射( XRD )技术对样品进行物相分析。采用Rietveld细化方法，可以确定BT纤维的四方结构。扫描电镜结果表明，BT纤维表面不光滑，说明聚合物和有机前驱体已被去除。采用50 % BT纤维制备的FPENG，其开路电压约为12 V，短路电流约为1μA，且FPENG内部分散相的影响对其输出性能的提高起到了一定的作用。该FPENG装置在退化前可运行5k次。通过连续加压至40k次，输出电压趋于零值。研究发现，机械疲劳效应与IDEs与PDMS界面在压制过程中产生的损伤有关。研究结果可为进一步设计FPENG器件的材料和器件结构，获得高性能和稳定性提供指导。

Abstract(#br)A flexible composite film based piezoelectric nanogenerator has been explored using lead-free (1− x ) KNaNbO 3 - x BaTiO 3 NPs ( x = 0.02, 0.04, 0.06 and 0.08) (used as KNN- x BTO) nanoparticles (NPs). The composite films were made of KNN-x BTO NPs impregnated into a Polydimethylsiloxane (PDMS) matrix. BTO was doped into the KNN lattice without affecting the orthorhombic phase of KNN. Structural analysis such as XRD and Raman spectroscopy were used to confirm the phase formation and atomic vibrations of the piezoelectric materials.

3D多孔泡沫基摩擦电纳米发电机用于能量收集摩擦电；纳米发电机；能量收集；3D泡沫；PDMS。在这里，我们提出了一种简单的方法来制备一个垂直堆积的3D多孔结构基摩擦电纳米发电机( TENG )，可用于以重复接触分离模式从摩擦中收集能量。TENG的单组分由薄铝箔电极和Ni、Cu和聚氨酯( PU )等微观结构的三维泡沫材料组成，它们提供了有利的摩擦表面，特别是增加了弹性体对接触面的摩擦面积。在温和条件下，三维多孔结构TENG单个单元产生的周期性接触/分离诱发的摩擦电功率可达$0.74mW/m^2$。为了论证我们方法的潜在应用，我们将我们的TENG应用于小规模器件中，运行48个LED和电容。我们设想，通过有效地从环境中回收浪费的能源资源，这种能量收集技术可以简单、经济地扩展到可持续运行的便携式电子设备的应用。

摩擦电纳米发电机作为微系统元件的大量应用拓宽了先进医疗监测和绿色能源系统的获取途径。最近对可穿戴电子技术的研究集中在更复杂的结构和昂贵的材料用于感官应用，导致商业可行性降低。在这里，我们报告了一种生物兼容性、成本效益、高度敏感、结构简单、多功能和可穿戴的摩擦电纳米发电机( TENG )作为一种通用的健康监测装置。采用纤维素纸和聚二甲基硅氧烷( PDMS ) /聚四氟乙烯( PTFE )共聚物电极制备了这种摩擦电式万能健康监测装置( TUHMD )。该装置通过机械触发，对与人体肌肉和呼吸系统相关的多种身体运动表现出高灵敏度和显著的相同信号。该装置还被观察到对声带振动敏感。该设备与计算机辅助系统的集成提供了生理运动的实时数据，可能对个性化医疗、康复和远程监测病人有用。该装置还测试了30 ~ 90拍每分钟( BPM )负载频率，以观察装置的摩擦电性能。TUHMD显示了响应作为一个摩擦电纳米发电机，其范围为12 V，电荷积累可忽略不计，最大容性能为11 F。这种智能装置显示了一个潜力成为一个先进的生物医学传感器，以维持全面的医疗或监测应用。

摘要\n尽管冲击式摩擦发电机成本低、功率大、应用领域广，但由于电流持续时间极短，在毫秒量级，其适用性有限。功率大、持续时间短的电流峰值不仅会降低时均功率输出，而且会对伴随电路产生摩擦电冲击，迅速降低发电机的可用性。在这里，我们通过控制两个介质板之间的气隙电容来演示可调的摩擦电流持续时间。在典型的尼龙/空气间隙/聚二甲基硅氧烷( PDMS )多层接触型摩擦电发生器中，介质板的垂直速度从0.5 cm / s降低到0.05 cm / s，电流持续时间从0.10 秒增加到0.81 秒。峰值持续时间的增加伴随着峰值电流的减小，在垂直速度为0.25   cm / s时，最佳电荷密度为0.163   n C / cm2，改变非接触模式下的气隙电容或介质层的相对介电常数也会导致峰值持续时间的类似变化。为了解释可调谐电流持续时间，通过串联电容建立了等效电路模型，数值解再现了电流持续时间随气隙电容变化的趋势。本研究对进一步优化摩擦电发生器，优化摩擦电荷密度、伴随电路寿命和拓宽适用性具有重要意义。

六方氮化硼纳米片( BNNSs )是二维( 2D )材料之一，由于其独特的性能，在纳米电子学等领域得到了广泛的应用。这里利用BNNSs研制高性能的压电/摩擦电纳米发电机( PTEG )。在聚二甲基硅氧烷( PDMS )中加入少量质量分数的BNNS，形成复合材料，可产生d 33 ~ 12   pC / N的高达~ 5.4   V的压电电压。由BNNS- PDMS和聚酰胺-6 ( PA6 )膜( 20×20 mm2 )组成的PTEG，电流密度为~ 230   mA   m-2，输出电压为~ 1870   V，最大功率密度为~ 103.7   W m-2，比对照PDMS / PA6纳米发电机提高了3倍以上。BNNS- PDMS膜的电极化可以进一步增强PTEGs的输出。详细的研究表明，BNNSs压电效应的协同作用和BNNS- PDMS膜的电子亲和力的提高，使得BNNS基PTEGs具有优异的性能潜力。

越来越多的可穿戴设备的使用刺激了作为更便携和实用能源替代品的能源收集器的研发工作。压电纳米发电机( PENGs )和摩擦电纳米发电机( TENGs )领域，特别是采用氧化锌( ZnO )纳米线( NWs )，近年来得到了极大的繁荣。尽管ZnO具有较低的压电系数，但由于其可持续的原材料和易于获得不同形貌，从而提高了其多功能性，因而受到了广泛的关注。将ZnO纳米结构集成到聚合物基体中以克服其脆性已被证明是卓有成效的，但其在复合材料中的浓度应予以优化，以最大限度地提高收集器的产量，这是一个尚未得到妥善解决的问题。本工作研究了微波辐射辅助水热合成法生长的ZnO纳米棒( NRs )和聚二甲基硅氧烷( PDMS )的不同浓度复合材料，在复合材料中加入25wt % ZnO NRs，通过激光雕刻进一步微结构以增强输出，在2.3 N的推进力下制备了输出为6 V的纳米发电机( NG )。

六方氮化硼纳米片( BNNSs )是二维( 2D )材料之一，由于其独特的性能，在纳米电子学等领域得到了广泛的应用。本文利用BNNSs研制了一种高性能的压电/摩擦电纳米发电机( PTEG )。将质量分数为几十%的BNNSs掺入聚二甲基硅氧烷( PDMS )中，形成复合材料，可在d33 ~ 12 pC / N下产生~ 5.4 V的压电电压。由BNNS- PDMS和聚酰胺-6 ( PA6 )膜( 20×20mm2 )组成的PTEG的电流密度为~ 230 mA m-2，输出电压为~ 1870 V，最大功率密度为~ 103.7 Wm-2，是PDMS / PA6纳米发电机的3倍多。BNNS- PDMS膜的电极化可以进一步增强PTEGs的输出。详细的研究表明，BNNSs压电效应的协同作用和BNNS- PDMS膜的电子亲和力的提高，使得BNNS基PTEGs具有优异的性能潜力。

摩擦电纳米发电机/超级电容器( TENG- SC )被认为在可穿戴/便携式生物运动能量采集/存储电子方面具有巨大的潜力，但许多TENG因其耐磨性差、构型复杂等特点，几乎无法满足可穿戴电子的需求。设计了一种环剥-编织方法，直接编织聚二甲基硅氧烷/ MnO2纳米线( PDMS / MnO2 NW )包复导电碳布纱线( CCT @ PDMS / MnO2 NW )的柔性PTFE纱线，该纱线可作为可穿戴的TENG纺织品，用于获取生物运动能量。通过改变MnO2 NW的质量负载，调节PDMS / MnO2 NW弹性体的介电常数，获得了优越的发电性能。获得的TENG纺织品可将各种形式的生物运动能量转换为电信号，可获得最大输出电压约380   V，并可轻松点亮200个串接LED。此外，采用TENG编织全固态纱线型非对称超级电容器作为储能单元，具有较高的体积能量密度和优异的循环稳定性。由于整个系统具有柔性的全纱线式结构，SC和TENG可以很容易地织成布料，实现生物运动能量的连续采集和存储，在可穿戴、轻量化、舒适的连续生物运动能量采集/存储装置和多功能压力传感等方面显示出极大的方便和巨大的应用前景。