单层多组分压电纳米纤维膜可将空气噪声转化为可用电能

　　澳大利亚迪肯大学林童&王红霞Nano Energy：单层多组分压电纳米纤维膜可将空气噪声转化为可用电能
　　DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106427
　　将空气噪声转化为可用电能可为环境保护带来诸多益处，但这仍然是一项极具挑战性的任务。本文报告了一种新型纳米纤维膜，其在噪声能量收集和电输出方面的性能显著增强。通过静电纺丝聚丙烯腈（PAN）和聚偏氟乙烯（PVDF）的聚合物共混物来制备纳米纤维。在噪声环境下，由3×4cm2 PAN-PVDF纳米纤维膜制成的器件可产生高达94.10V的峰值电压输出和17.40µA（14.5mA/m2）的电流输出，功率密度为250.1mW/m2，能量转换效率为25.6％。在相同条件下，其电压输出比单组分PAN纳米纤维高3.9倍，是单组分PVDF纳米纤维的4.5倍。这种意想不到的噪声-电能转换可归因于单层纤维膜内的内源性摩擦电效应，该效应源自纳米纤维内PAN和PVDF的微相分离，使两种成分都暴露在纤维表面。此外，纳米纤维中两种聚合物组分的比例会影响纤维内聚合物的微观结构、分子构象和能量转换性能。研究表明，这种纳米纤维制成的器件能量转换稳定，产生的电能足以为各种商用设备供电。本研究首次提出在单层多组分压电材料中可产生内源性摩擦电，为改进噪声-电能转换和其他能量收集技术带来了新的启示。
　　图1.（a）应用激光束前后PAN-PVDF溶液的照片显示廷德尔效应。（b）静电纺丝前和静电纺丝3h后PAN-PVDF溶液的光学显微照片。（c）PAN-PVDF纳米纤维的SEM图像；插图：TEM图像（比例尺：200nm）。（d）SEM-EDX映射显示碳（C）、氮（N）和氟（F）在PAN-PVDF纳米纤维中的均匀分布。PAN-PVDF纳米纤维（由含7wt％PAN+7wt％PVDF溶液的DMF制备而成）、PAN纳米纤维（由含8wt％PAN溶液的DMF制备而成）、PVDF纳米纤维（由含20wt％PVDF溶液的DMF/丙酮4/6，v/v制备而成）的（e）XPS测量，（f）XRD图，（g）FTIR光谱和（h）DSC分析。
　　图2.（a）PAN-PVDF噪声收集器结构示意图；（b）设备的数码照片（比例尺：1cm）。（c）声波和声能收集示意图（黑点表示与声音相关的空气分子的运动，高密度点表示高声压）。（d）器件在SPL 117dB 250Hz噪声条件下的电压输出和（e）电流输出。（f）SPL（声频250Hz）和（g）声频对器件电压输出的影响；插图：电压输出放大图。（h）器件在不同外部负载下的峰值电压和峰值功率输出。（i）器件工作稳定性。（纳米纤维由7wt％PAN+7wt％PVDF制备；纳米纤维直径：556±78nm；膜厚：40µm。）
　　图3.PAN-PVDF纤维膜内PAN/PVDF比率对（a）纤维直径、（b）器件电压和电流输出以及（c）PAN之字形含量和PVDFβ相含量的影响。聚合物总含量对（d）纤维直径、（e）器件电压和电流输出以及（f）PAN之字形含量和PVDFβ相含量的影响。插图：纳米纤维在特定条件下的典型SEM图像（比例尺：1um）。（膜厚40µm；所有声电测量的声源SPL 117dB 250Hz，d-f中PAN/PVDF重量比为50:50。）
　　图4.（a）Au（预涂PAN-PVDF）/PAN-PVDF纳米纤维膜/Au（预涂PAN-PVDF），（b）Au/PAN纳米纤维膜/PVDF纳米纤维膜/Au以及（c）来自PAN纳米纤维和PVDF纳米纤维/Au混合物的Au/单层纤维膜的器件结构和电压输出示意图。（声音条件：SPL 117dB，声波频率250Hz；所有器件的纤维膜总厚度：40µm。）
　　图5.（a）-（c）（a）原始PAN-PVDF纳米纤维，（b）去除PVDF后残留的PAN成分，（c）去除PAN后残留的PVDF成分的SEM图像。（d）-（f）（d）环氧树脂固定原始PAN-PVDF纳米纤维，（e）环氧树脂固定PAN-PVDF纳米纤维去除PVDF后，（f）环氧树脂固定PAN-PVDF纳米纤维去除PAN后的SEM图像。（g）PAN-PVDF纳米纤维的TEM图像。（h）PAN-PVDF纳米纤维内微相分离的示意图。（a-d中的PAN-PVDF纳米纤维由含8wt％PAN+8wt％PVDF溶液的DMF制备而成）
　　图6.（a）PAN-PVDF纳米纤维膜内电荷产生机制的示意图。（b）不同声压级（250Hz）下中心部分纤维膜的振动速度（如标记所示）；插图：SPLs低于85dB时的曲线放大图。（c）纤维膜的应力-应变曲线；插图：弹性变形阶段的曲线放大图。（膜厚：40µm）
　　图7.（a）43个商用LEDs（串连）,（b）计时器和（c）由纳米纤维噪声收集器单独供电的数字计算器的照片。（d）由纳米纤维噪声收集器供电的不同电容器的电压-充电时间关系；插图：充电电路。（e）显示由存储在电容器中的电力驱动电机旋转的照片。（纳米纤维由7wt％PAN+7wt％PVDF溶液制备；纳米纤维膜厚度：40μm；声源SPL 117dB，250Hz，电能经整流后使用。）