一种多功能且环保的摩擦电纳米发电机，采用生物-无机混合纤维实现低频能量采集

《Journal of Applied Polymer Science》：Versatile and Environmentally Sustainable Triboelectric Nanogenerator Utilizing Bio-Ingorganic Hybrid Fibers for Low-Frequency Energy Harvesting

本研究开发了一种基于生物无机杂化纤维的可再生摩擦纳米发电机，采用SA/SiO2湿纺纤维作为负极层，TPU/Si3N4电纺纳米纤维作为正极层，有效解决了传统石油基发电机环境不友好和机械稳定性差的问题。优化后器件在低频激励下实现峰值电流0.025μA、电压10V，机械性能测试表明断裂应力达1.0MPa，应变高达98.65%，适用于可穿戴设备供电，并通过湿纺-电纺协同工艺结合可降解材料，推动可持续能源系统发展。

　　

摘要

本研究介绍了一种多功能摩擦电纳米发电机，该发电机由生物无机混合纤维制成，其中负电极摩擦电层采用海藻酸钠/二氧化硅（SA/SiO₂）湿法纺丝纤维，正电极摩擦电层采用热塑性聚氨酯/氮化硅（TPU/Si₃N₄）静电纺丝纳米纤维。这种设计旨在克服传统石油基摩擦电纳米发电机在环境可持续性和机械-电气稳定性方面的主要缺点。当正电极层掺杂1.0 wt%的氮化硅、负电极层掺杂2.0 wt%的二氧化硅时，该装置的电输出性能得到显著提升，这归因于二氧化硅颗粒的驻极效应。在低频激励下，该装置可产生0.025 μA的峰值电流和10 V的电压，从而大幅提高了仿生运动的能量收集效率。机械性能测试表明，在二氧化硅掺杂浓度为1.5 wt%时，该装置的最大断裂应力为1.0 MPa，应变率为98.65%。实验验证表明，该装置具有优异的稳定性，适用于可穿戴织物，可为低功耗传感器提供可持续的电源。本研究通过将湿法纺丝和静电纺丝技术与可生物降解材料相结合，为下一代自供电系统开辟了一条可持续的发展路径，有助于减少电子垃圾污染。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。