rGO包覆的La?Mo?O??材料的协同电化学性能在高效非对称超级电容器中的应用

《Surfaces and Interfaces》：Synergistic Electrochemical Performance of rGO sheathed La 2Mo 3O 12 for High-Energy Asymmetric Supercapacitor Device

压电纳米发电机通过PVDF/PZT/石墨烯纳米片多层结构设计提升性能，四层结构在20Hz振动下实现0.18V开路电压和166nW最大功率，较单层结构提升4.38倍，适用于自供电无线健康监测系统。

　　在当今科技迅速发展的背景下，随着物联网（IoT）技术的广泛应用，智能电子设备的数量不断增加，这使得对可持续、可再生且分布式能源的需求也日益增长。传统的电池虽然仍然被广泛使用，但其有限的使用寿命、定期维护的需求以及对环境的污染等问题，促使研究人员探索更加环保和高效的能量获取方式。在此背景下，纳米发电机（nanogenerator）因其独特的能量转换机制和高功率密度特性，逐渐成为一种有前景的替代方案。特别是基于压电效应的纳米发电机（PNG），因其能够将环境中的机械能转化为电能，受到了广泛关注。

压电材料和压电能量收集器因其结构简单、材料柔韧以及具备高功率密度的特性，被视作一种可持续的电源，适用于大型传感器网络的供电需求。在这一领域，压电复合材料的研究取得了显著进展。其中，0–3型复合材料因其相对简单的制造工艺，成为研究的重点。这种复合材料通过将压电陶瓷颗粒分散在柔性聚合物基体中，不仅保持了材料的柔韧性，还提高了其压电性能，如压电系数d??和压电电压常数g??。然而，现有的研究仍然面临一些挑战，例如陶瓷颗粒在聚合物基体中的随机分布可能导致材料结合不够紧密，从而影响其整体性能。因此，为了改善这些缺陷，研究者们尝试在复合材料中引入第三种成分，如石墨烯、离子盐、碳纳米管等，以增强压电性能并改善材料的机械特性。

石墨烯作为一种具有高强度、优异导电性和热导率的材料，虽然本身不具备压电性能，但其在压电复合材料中的应用已被证明能够显著提升PVDF等聚合物的压电性能。通过将石墨烯引入PVDF基体中，可以促进PVDF在电场作用下形成更多的β相，而β相具有较高的极化能力和良好的铁电性能，这使其在传感器、执行器和能量收集系统等应用中表现出色。此外，石墨烯还能够改善复合材料的导电性，从而减少电荷在纤维表面的积累，提高整体的能量转换效率。

然而，在使用电纺丝技术制备石墨烯复合材料时，仍存在一些技术难点。例如，单层电纺丝纤维的导电性较低，容易导致电荷在纤维表面残留，进而影响其性能。同时，纤维之间的粘附力不足，可能导致纤维结构松散，形成低密度和低柔性的网络，从而降低其机械强度和整体性能。这些问题在一定程度上限制了电纺丝基压电纳米发电机的应用范围和效率。

为了解决上述问题，研究人员尝试采用多种方法来优化电纺丝复合材料的结构和性能。例如，表面接枝聚合、物理吸附涂层、层叠制造、化学掺杂、等离子体处理、杂原子掺杂以及湿化学方法等，都被广泛应用于改善材料的导电性和机械性能。其中，层叠制造（layer-by-layer, LBL）技术被认为是一种有效的策略。通过将单层纤维结构垂直叠加，可以构建出具有多层结构的复合材料，从而在有限的空间内实现更高的能量输出。

本研究中，研究人员采用了一种基于层叠制造技术的多层结构设计，将PVDF、PZT和未改性石墨烯纳米片（GNP）相结合，构建出一种新型的压电纳米发电机（M-PNG）。通过将单层和多层（包括两层、四层和六层）复合材料置于导电电极之间，实现了对压电性能的优化。实验结果显示，在20 Hz的振动频率下，四层M-PNG在50 kΩ的负载电阻下，能够产生0.18 V（RMS）的开路电压，并输出1.82 μA（RMS）的电流，从而实现0.166 μW（RMS）的最大电功率。这一结果表明，与单层PNG相比，四层M-PNG的开路电压提高了80%，并且其电功率输出显著增加，约为单层PNG的4.38倍。

进一步的结构和形态分析表明，通过电纺丝工艺，PVDF的α相能够有效地转化为具有电活性的β相，从而提升其压电性能。此外，研究还发现，多层结构在并联连接下能够表现出更高的压电性能，这与传统的串联结构相比具有明显优势。这一发现为未来开发高性能的压电纳米发电机提供了新的思路，同时也为构建自供电的无线健康监测系统奠定了基础。

在实际应用中，这种多层压电纳米发电机（M-PNG）可以用于检测人体运动，例如在智能建筑、可穿戴设备和物联网系统中。通过将M-PNG集成到这些系统中，可以实现对环境机械能的高效利用，从而减少对外部电源的依赖，提高系统的自主性和可持续性。此外，M-PNG的高输出电压和电功率使其能够直接驱动传感器，而无需额外的电压调节或能量存储设备，这进一步简化了系统的结构并降低了成本。

为了验证M-PNG的性能，研究人员设计并实现了一个基于物联网的无线监测系统，用于追踪从M-PNG中捕获的电信号。该系统不仅能够实时监测人体运动，还能够将数据传输到远程服务器进行分析和处理。这种自供电的无线监测系统在医疗健康、运动监测和环境感知等领域具有广阔的应用前景，尤其是在需要长时间运行且难以接入传统电源的场景中。

本研究的成果表明，通过优化材料的结构和制造工艺，可以显著提升压电纳米发电机的性能。特别是多层结构的设计和并联连接方式的应用，使得M-PNG在能量输出和机械性能方面表现出色。此外，石墨烯的引入不仅增强了材料的压电性能，还改善了其导电性和结构稳定性。这些发现为未来开发更高效、更环保的能源获取技术提供了重要的理论支持和技术参考。

综上所述，压电纳米发电机作为一种新型的能源转换装置，具有广阔的应用前景。通过结合多种材料和优化制造工艺，可以有效提升其性能，使其能够满足日益增长的智能设备和物联网系统的供电需求。未来的研究可以进一步探索不同材料组合对压电性能的影响，以及如何通过先进的制造技术提高材料的结合强度和整体性能。同时，还需要考虑如何将这些技术应用于实际场景，以实现更广泛的应用和更高的能量转换效率。