Pr3+掺杂BiPO4/PVA纳米复合材料的设计及其在摩擦纳米发电机中的性能优化研究

本研究针对摩擦纳米发电机(TENG)材料选择有限和输出效率低的问题，通过水热法合成Pr3+掺杂BiPO4(PBP)纳米颗粒，并采用溶液浇铸法制备PBP@PVA纳米复合材料。研究发现4.0 wt%掺杂量的复合材料使TENG输出提升至59 μA电流和282 V电压，成功驱动28个LED和数字手表，为自供电电子系统开发提供了新型磷酸盐基功能材料解决方案。

　　

随着可穿戴设备和物联网技术的快速发展，传统电池的续航瓶颈日益凸显。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种能将环境机械能转化为电能的新兴技术，因其结构简单、材料来源广泛而备受关注。然而，现有TENG面临两大核心挑战：一是高性能摩擦电材料选择有限，二是输出功率难以满足实际应用需求。特别是在材料体系方面，当前研究多集中于硫化物或氧化物填充体系，这类材料存在电荷存储能力不足、界面稳定性差等问题。

针对这些技术瓶颈，JSS科学技术大学（原译名：JSS Science and Technology University）的研究团队创新性地将稀土掺杂磷酸盐材料引入聚合物基体，开发出具有优异综合性能的Pr³⁺掺杂BiPO₄/PVA(PBP@PVA)纳米复合材料。这项发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》的研究，通过系统的材料设计与性能优化，不仅拓展了TENG材料的化学多样性，更在输出性能上实现了突破性进展。

研究团队主要采用水热法合成单晶PBP纳米棒，通过X射线衍射(XRD)确认其单斜晶系结构（空间群P2₁/n），并运用溶液浇铸技术制备不同掺杂浓度(0-4.0 wt%)的纳米复合材料。借助扫描电镜(SEM)/透射电镜(TEM)表征形貌，结合差示扫描量热法(DSC)分析热稳定性，通过接触角测试和紫外光谱研究材料表面能与光学特性，最终组装接触分离式TENG器件进行电输出测试。

材料表征与性能研究
XRD分析证实PBP纳米颗粒保持单斜晶系结构，TEM显示其呈均匀棒状形貌，长度约200 nm。EDX图谱确认Pr³⁺成功掺入BiPO₄晶格，FTIR光谱揭示PBP与PVA间存在氢键相互作用。值得注意的是，4.0 wt%掺杂使复合材料接触角从72.3°降至58.6°，表明表面能显著提升，这有利于接触起电过程中的电荷转移。

光电特性调控
紫外测试显示PBP@PVA的吸收边红移至238 nm，直接带隙从纯PVA的5.30 eV降至5.08 eV。DSC曲线表明纳米颗粒的加入使分解温度提高约15°C，证实材料热稳定性增强。这些特性变化为提升TENG性能奠定了物理基础。

TENG输出性能
在4 Hz工作频率下，最优组(4.0 wt%)器件输出达59 μA短路电流和282 V开路电压，分别是纯PVA基器件的3.7倍和2.8倍。通过桥式整流电路，该器件成功驱动28个串联LED，并在180秒内将1 μF电容器充电至5 V，验证了实际应用潜力。

这项研究开创性地将稀土掺杂磷酸盐材料应用于TENG领域，通过精确控制Pr³⁺掺杂浓度，实现了PVA基质介电性能和表面能的协同优化。所开发的PBP@PVA复合材料不仅解决了传统材料电荷存储能力不足的问题，其单斜晶系结构带来的各向异性极化还显著提升了电荷分离效率。从应用角度看，该工作为开发高输出、耐候性强的柔性能量收集器件提供了新材料范式，特别适合可穿戴电子和分布式传感器网络等新兴领域。研究揭示的"稀土掺杂-晶格缺陷-介电增强"作用机制，对后续设计高性能摩擦电材料具有重要指导价值。