光活性铁电复合物g-C3N4@BaTiO3/P(VDF-TrFE)聚合物用于增强摩擦电能量收集

为解决摩擦电纳米发电机(TENG)输出功率低的问题，韩国研究人员开发了光活性铁电复合薄膜(Photo-FE@TENG)，通过g-C3N4@BaTiO3与P(VDF-TrFE)聚合物的化学键合，实现了机械振动与光能协同收集。该器件在蓝光照射下获得0.56 mW/cm2的功率密度，可驱动200个LED及电子设备，为暗环境自供能设备提供新方案。

　　

在能源危机与物联网设备爆发的时代背景下，如何从环境中高效收集分散的机械能和光能成为科学界的重要命题。摩擦电纳米发电机(TENG)虽能转化机械振动为电能，但传统材料存在输出功率低(<0.1 mW/cm²)、光响应弱等瓶颈。尤其在地下管道、夜间环境等场景，单纯机械能收集难以满足设备需求。韩国国立研究基金会(National Research Foundation of Korea)的Dheeraj Kumar团队创新性地将光活性材料与铁电体耦合，在《Materials Today Energy》发表的研究中提出了突破性解决方案。

研究采用热聚合法制备可见光响应的g-C₃N₄(CN)纳米片，通过化学键合将其与铁电BaTiO₃(BT)复合，再嵌入P(VDF-TrFE)铁电聚合物基质。利用热压法制备柔性复合薄膜，通过紫外可见光谱、铁电测试仪等表征材料性能，构建接触分离式TENG器件测试电输出，最终实现环境能量收集的实际应用验证。

【Improved structural, morphological, optical, ferroelectric, and dielectric properties of ternary composite polymers】
研究发现CN@BT与P(VDF-TrFE)通过C-H···H-N-H键形成NH₃键合界面，使复合薄膜带隙从3.2 eV降至2.8 eV，可见光吸收显著增强。铁电测试显示剩余极化强度提升至9.8 μC/cm²，介电常数达到45，为电荷捕获提供有利条件。

【Enhanced triboelectric performance of Photo-FE@TENG】
极化处理的复合薄膜在60 mW/cm²蓝光与5 Hz机械振动协同作用下，输出电流密度达2.59 μA/cm²，功率密度0.56 mW/cm²，较纯聚合物提升8倍。连续工作120分钟性能衰减<5%，展现出卓越稳定性。

【Practical applications of Photo-FE@TENG】
器件成功点亮200个LED阵列，并为科学计算器、温湿度计、手表等设备持续供电。通过管理电路(PMC)实现电容充电至3V仅需120秒，验证了实际应用潜力。

该研究通过光生载流子与铁电偶极子的协同作用，首次实现摩擦电-光电效应的耦合增强。CN@BT异质结促进电荷分离，P(VDF-TrFE)的高电子亲和力提升电荷转移效率，二者的介电常数协同效应强化了电荷捕获能力。这种"光-机-电"三重能量转换机制，为极端环境下的自供能传感器网络提供了新材料范式，推动绿色能源技术向多能互补方向发展。