高性能压电二维单晶BaTiO?/壳聚糖复合摩擦纳米发电机，用于振动能量收集及游戏控制器

《Materials Today》：High-performance piezoelectric 2D-single crystalline BaTiO 3 /chitosan composite-based triboelectric nanogenerator for vibrational energy harvesting and game controller

采用溶剂铸造法制备了柔性、环保的壳聚糖/钡钛酸板片（CSBT）复合物，作为三明治TENG的正负电材料，在15g加速度下实现400V开路电压、31μA短路电流和11W/m2最大功率密度。该器件成功将音乐振动能量转化为电能，可驱动100个LED串联及便携电子设备，并作为自供电游戏控制单元的传感器，展示了环境友好型TENG的广阔应用前景。

　　这项研究探讨了一种基于天然生物聚合物壳聚糖（Chitosan, CS）和无铅压电材料氧化钡钛（Barium Titanate-Platelets, BT）的复合材料，即壳聚糖/氧化钡钛片（CSBT）的制备与应用。该复合材料被用于制作一种名为“振动复合型摩擦纳米发电机”（Vibrational Composite TENG, VC-TENG）的设备，其主要目标是通过环境中的机械振动来产生电能，并用于自供电的传感器系统，从而为可持续的、生态友好的能量收集和传感技术提供新的思路。

### 1. 摩擦纳米发电机的背景与优势

在现代社会，随着科技的快速发展，人们对能源的需求不断上升。然而，传统能源的使用带来了环境污染和资源枯竭的问题，这促使科学家们探索更加环保和可持续的能源获取方式。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）作为一种新兴的能源收集技术，因其能够通过摩擦电效应和静电感应将机械能转化为电能，而受到广泛关注。TENG的优势在于其材料选择广泛、结构简单、输出电压高，以及易于实现高效的电能管理。这些特点使其成为小尺寸、可穿戴、便携式和电池供电电子设备的理想能量来源。

与传统的压电、静电和电磁能量收集器相比，TENG在低频范围内的工作性能更为优越，且具有更广泛的频率适应性。此外，TENG的制作成本相对较低，且操作过程简单，这使得其在实际应用中具有更高的可行性。尽管如此，TENG的性能在很大程度上依赖于所使用的材料，尤其是其表面电荷密度和极化能力。因此，研究人员致力于开发新型的、具有更高性能的TENG材料，以满足实际应用中的多样化需求。

### 2. 自然生物聚合物在TENG中的应用

为了提高TENG的性能，研究者们开始关注天然生物聚合物的应用。壳聚糖是一种来源于海洋甲壳类动物外壳的天然材料，具有良好的生物相容性、可降解性和可加工性。由于其分子结构中含有氨基（-NH?）和羟基（-OH），壳聚糖在酸性环境中能够形成正电荷，这使其成为一种高效的正摩擦电材料。与壳聚糖相比，氧化钡钛具有更高的介电常数和压电性能，且不含铅，避免了铅污染和健康风险。

将氧化钡钛片嵌入壳聚糖基质中，可以显著提升TENG的电荷捕获能力和表面电荷密度。这种复合材料不仅能够改善TENG的输出性能，还能增强其在不同环境条件下的稳定性。研究发现，氧化钡钛片具有较高的长宽比和可调控的表面粗糙度，这些特性有助于提高其在壳聚糖基质中的分散性和界面极化能力，从而增强电荷的捕获和转移效率。

此外，天然生物聚合物的使用也符合可持续发展的理念。与合成聚合物相比，壳聚糖和氧化钡钛的结合不仅减少了对环境的污染，还降低了电子废弃物的产生。因此，这种基于自然材料的TENG具有更高的环保价值，适用于可穿戴电子设备、人体-机器接口（Human-Machine Interface, HMI）和环境监测等应用场景。

### 3. 实验方法与材料制备

在实验过程中，研究团队采用溶剂浇铸法（solvent casting）来制备壳聚糖/氧化钡钛片（CSBT）复合材料。首先，将壳聚糖溶解在醋酸溶液中，形成均匀的溶液。随后，按照不同的重量百分比（1%、3%、5%、7%）加入氧化钡钛片，并通过超声波处理（30分钟）以确保材料的均匀分散。最终，通过将溶液涂覆在玻璃板上并干燥（40°C，2小时）得到厚度约为40微米的薄膜，命名为CSBT1、CSBT3、CSBT5和CSBT7。

为了构建VC-TENG，研究团队将CSBT薄膜与氟化乙烯丙烯（Fluorinated Ethylene Propylene, FEP）薄膜结合，FEP作为负摩擦电材料。同时，铜带被用作电极，以提高电荷的传输效率。这种设计使得VC-TENG能够高效地捕获和转移电荷，从而实现较高的输出性能。

### 4. 材料特性与性能分析

通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，研究团队对CSBT复合材料的结构和表面形貌进行了详细分析。XRD结果显示，随着氧化钡钛片含量的增加，复合材料的衍射峰强度也随之增强，表明其晶体结构的稳定性得到了提升。同时，SEM图像显示，氧化钡钛片在壳聚糖基质中能够均匀分布，形成良好的界面接触，这有助于提高电荷的捕获效率。

进一步的傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱分析表明，CSBT复合材料中存在明显的界面相互作用。这些相互作用可能包括氢键和静电相互作用，从而增强了材料的极化能力和电荷转移效率。特别是，氧化钡钛片的引入使得壳聚糖基质的介电常数显著提高，从纯壳聚糖的约25增加到7%氧化钡钛片的165，这表明复合材料在电荷捕获和能量转换方面具有显著优势。

### 5. TENG的性能表现

研究团队对不同含量的氧化钡钛片（1%、3%、5%、7%）制备的VC-TENG进行了测试，以评估其在不同振动条件下的性能。结果显示，当氧化钡钛片含量为3%时，VC-TENG表现出最佳的性能，其开路电压（Voc）达到400V，短路电流（Isc）为31μA，最大功率密度为11W/m2。这些数值远高于纯壳聚糖薄膜的性能，表明3%氧化钡钛片的加入显著提升了VC-TENG的输出能力。

进一步的测试表明，VC-TENG在不同频率和振幅的振动条件下均能稳定运行。例如，在15g的加速度下，VC-TENG能够在没有层间间隙的情况下实现高效的电荷捕获和转移。此外，研究团队还测试了VC-TENG在不同负载电阻下的性能变化，发现当负载电阻为14MΩ时，输出功率密度达到峰值，这表明该设备在实际应用中具有较高的灵活性和适应性。

### 6. 实际应用与潜力

VC-TENG的高输出性能使其在多个实际应用中展现出巨大潜力。首先，该设备可以用于从日常环境中的振动中收集能量，例如由人声、机械振动或音乐产生的振动。通过将VC-TENG连接到低功耗电子设备，如计算器、pH计和LED灯，研究团队成功实现了对这些设备的供电。例如，100个蓝色LED灯可以在不使用外部电源的情况下直接由VC-TENG的振动驱动点亮，这表明该设备在便携式电子设备供电方面具有显著优势。

其次，VC-TENG还被用作自供电的传感器，用于游戏控制系统的操作。通过将四个CSBT3-TENG传感器集成到游戏控制器中，研究团队实现了对游戏操作指令的响应。例如，当用户按下控制器上的按键时，TENG传感器能够产生相应的电压信号，进而驱动游戏中的导弹发射器进行左右、上下移动操作。这一应用不仅展示了VC-TENG在人体-机器接口中的潜力，还为未来的智能设备和交互式系统提供了新的思路。

### 7. 研究的意义与未来展望

这项研究不仅为TENG技术的发展提供了新的材料选择，还展示了其在实际应用中的广泛潜力。通过将天然生物材料与高性能无铅压电材料相结合，VC-TENG实现了环保、高效和自供电的功能。这种技术可以应用于可穿戴设备、环境监测系统、智能传感器和无线通信设备等多个领域。

此外，研究团队还发现，VC-TENG在低频振动条件下的表现尤为突出，这使其在噪音、声音振动和随机机械运动等环境中具有更高的适用性。未来，随着材料科学和电子工程的进一步发展，VC-TENG有望在更多实际场景中得到应用，例如在建筑结构健康监测、医疗设备供电和物联网（IoT）系统中。同时，研究团队也指出，目前仍需进一步优化材料的集成方式，降低能量损耗，并确保其在不同环境条件下的稳定性。

综上所述，这项研究为TENG技术的发展提供了新的方向，特别是在环保、可持续性和高效能量收集方面。通过结合壳聚糖和氧化钡钛片，VC-TENG不仅能够实现高效的能量转换，还具备广泛的应用前景。未来，随着更多相关研究的深入，这种自供电的振动能量收集装置有望在多个领域发挥重要作用。