浙江大学平建峰基于MXene纳米片的全电纺柔性摩擦电纳米发电机

　　随着柔性、微型化便携设备的不断发展，手机作为微型化便携式电子产品的典型代表，占据了全球电力消费的很大一部分。因此，利用低功率(从mW到μW)可穿戴设备来代替传统电池驱动便携式设备必将成为未来柔性电子产品发展趋势。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator, TENG)通过摩擦电和静电感应的耦合作用将机械能转化为电能，由于其输出性能高，结构性能简单多样，可应用于柔性和可拉伸电子器件中。其中，电负性聚合物具有许多独特的特性，如良好的可塑性和优异的机械强度，但由于电绝缘的性质，这些电负性聚合物材料构建TENGs通常在单电极模式下工作，并难以实现同时产生大电流和输出电势。
　　最近，一种新兴的二维(2D)纳米材料MXene，即过渡金属氮化物、碳化物和碳氮化物已被报道用于许多应用，如电磁干扰屏蔽膜、储能设备和气体传感器。MXene具有优异的金属导电性和高电负性表面，这是由于它含有丰富的-F基团和含氧的终止官能团。因此，MXene成为一种很有前途的电负性材料替代品，为TENGs提供更好的性能。
　　近日，浙江大学平建峰研究员利用一种高电负性导电材料MXene纳米片与聚乙烯醇(PVA)电纺纳米纤维膜构建了一种柔性全电纺摩擦纳米发电机(TENG)。作者选用蚕丝蛋白作为电纺纳米纤维薄膜的电子供体，具有良好的摩擦电性和生物相容性。为了使膜具有可穿戴的柔性，在基体材料聚乙烯醇(PVA)中加入MXene (Ti3C2Tx纳米片)悬浮液进行电纺纳米纤维膜，使得制备的膜可任意弯曲、扭曲和压缩。所制备的TENG具有优异的力学性能，显著提高的柔性、可折叠性，经过反复力学变形后保持良好的结构完整性，可广泛应用于可穿戴设备。
　　图1：(a) PVA/MXene纳米纤维膜和(b)蚕丝纳米纤维膜的制备工艺示意图。(c)制备PVA/MXene和蚕丝纳米纤维薄膜基TENG的示意图。
　　图2：(a, b)纯PVA纳米纤维膜、PVA/MXene纳米纤维膜、蚕丝纳米纤维膜及其相应的前驱溶液的数码照片。(c)纯PVA纳米纤维、(d)蚕丝纳米纤维(e)PVA / MXene纳米纤维的SEM图像。(f) PVA/MXene纳米纤维O、C、Ti的元素映射图像。
　　图3：TENG设备工作流程图。
　　图4：(a)在10N垂直力作用下，PVA/MXene纳米纤维薄膜基TENG输出开路电压对各种接触分离频率的关系。(b)不同工作频率下对应输出峰间电压的变化。(c)工作频率为10Hz时，PVA/MXene纳米纤维薄膜基TENG输出开路电压与外加力的关系。(d)不同作用力下对应输出峰间电压的变化。
　　图5：(a)触点间隔频率为10Hz和垂直力10N作为负载电阻产生的输出电压和电流。(b)瞬时输出功率作为负载电阻的函数。(c)PVA/MXene纳米纤维膜基TENG在在10Hz下10N的重复压缩力下的稳定性测试。周期超过124000个周期。(d)由38个led串联而成的字母＂ZJU＂瞬间被27个TENG点亮，它可以驱动50多个led灯。
　　图6：实时监控人类活动。由(a)手指弯曲、(b)手腕和(c)膝盖运动引起的电压响应。(d)本装置随喉部肌肉运动而产生的电压变化。
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