综述：基于纳米纤维的摩擦电材料简介：一种有前景的摩擦电纳米发电机候选材料

《ACS Omega》：Brief Review on Nanofiber-Based Triboelectric Material: A Promising Candidate for a Triboelectric Nanogenerator

本文综述了基于电纺纳米纤维的摩擦纳米发电机（TENG）的原理、结构优化策略及性能提升方法，包括复合纳米材料、表面改性及不同工作模式的应用，探讨其在可穿戴设备、健康监测传感器等领域的应用潜力及未来挑战。

　　随着全球能源危机和环境问题的日益加剧，对可持续和可再生的能源解决方案的需求也变得愈发迫切。与此同时，物联网（IoT）技术的快速发展推动了对自供电、柔性以及可穿戴电子系统的强烈需求。在众多可利用的可再生能源中，机械运动作为一种广泛存在的能量形式，为便携式和个性化的可穿戴电子设备提供了良好的供电潜力。2012年，王中林及其团队首次提出了一种摩擦纳米发电机（TENG），作为一种应对能源危机的潜在解决方案，通过从环境中捕获摩擦产生的机械能并将其转化为电能。TENG因其轻质、机械灵活性、结构简单以及材料兼容性广等特点，为开发下一代可穿戴电子设备、非接触传感器和微系统提供了可行的路径。此外，植入式医疗设备如心脏起搏器也正在向自充电功能发展，以取代传统电池。

近年来，研究者们通过优化材料特性和设备结构，不断努力提升TENG的性能。其中，关键的材料因素如介电常数、表面电荷密度以及微纳米结构的表面形貌在最大化能量转换效率方面起着至关重要的作用。改善这些内在特性，结合创新的结构设计，是实现高性能自供电电子设备的关键。作为一项成本效益高且高效的工艺，静电纺丝能够生产出具有高表面积、可调孔隙率、机械性能和优异柔性的微纳米纤维。这些特性与可穿戴电子设备对柔软性、轻量化设计、机械适应性和紧凑型设备的要求高度契合。基于静电纺丝的纳米纤维TENG不仅具备透气性、可穿戴性、环境可持续性和生物相容性，还在柔性技术中得到了广泛应用，包括健康监测传感器和其他自供电系统。这些纳米结构材料将能量采集与物联网技术相结合，使柔性、自供电系统能够适应多样化的传感和设备应用。

鉴于上述进展和新兴趋势，本文提供了一篇关于静电纺丝纳米纤维在可穿戴电子设备中作为有前景材料的简要综述。我们总结了静电纺丝纳米纤维的详细信息、TENG不同运行模式的工作原理，以及纳米纤维形貌在能量采集中的重要性。本文还探讨了纳米纤维在实际应用中的最新进展，并讨论了如何通过工程设计来提升其能量采集效率。这些研究不仅限于可穿戴电子设备，还能够实现从医疗健康到其他领域中的实时监测和反馈，从而支持下一代人机交互界面的发展。

TENG的工作原理基于接触电荷（CE）和静电感应（EI）效应。当具有相反极性的摩擦电对接触时，由于CE效应，它们的表面会生成等量但符号相反的静电电荷。一旦这些层分离，由于EI效应，电荷会在电极上感应并产生电势差。结果，电子会通过外部电路转移以平衡电极上的电荷，从而在整个接触和分离过程中产生交流信号。TENG产生的电流与麦克斯韦的位移电流密切相关。位移电流源于电场随时间变化所引起的电位移场的变化，而不是特定方向上电荷的实际流动。王中林的研究表明，TENG的输出电流本质上与位移电流有关，为理解其电气生成机制提供了基础。随后，王中林通过引入极化密度项 $P_s$ 进入位移向量，进一步发展了TENG的基本理论模型。这项进展使得TENG成为位移电流在能量采集应用中的实际体现。

在接触分离模式中，两种具有介电常数（$\varepsilon_{r1}$, $\varepsilon_{r2}$）和厚度（$d_1$, $d_2$）的介电材料连接到电极上。接触电荷效应会生成表面电荷密度 $\sigma_T(t)$，该电荷密度在初始接触后趋于饱和，并不受间隙距离 $z$ 的影响。当介电层相互运动时，电极上会产生自由电荷密度 $\sigma(z, t)$，其行为由分离距离 $z(t)$ 所决定。在短路条件下，电荷的静电关系会导致电极间产生一定的电势差，从而驱动电流的流动。这为TENG的运行机制提供了基础。

TENG的性能提升依赖于材料的选择和结构的优化。选择具有不同极性的摩擦电材料能够影响其电荷倾向，从而设计出高效率的TENG设备。摩擦电系列是根据材料的极性差异排列的，早在1757年由John Carl Wilcke首次提出。该系列中位于底部的材料具有电子接受特性，导致负电荷的生成，而位于顶部的材料由于其电子失去倾向，会形成正电荷。这种材料排列方式有助于理解TENG的工作机制。TENG可以根据其结构和材料的相对运动分为四种基本模式，包括接触分离、横向滑动、单电极和自由悬浮模式。这些模式各自具有不同的特点，本文将逐一探讨。

在接触分离模式中，两个摩擦电层分别连接到电极上。当它们在施加力的作用下接触时，表面电荷会因接触电荷效应而产生。高电子亲和力层会获得电荷，而低电子亲和力层则会失去电荷。当两个层开始分离时，由于两个带电摩擦电层之间的库仑相互作用，电极之间会诱导出电势差。随后，电子通过外部电路在电极之间流动，产生正电流。同样的过程会持续进行，从而生成负电流。通过这种方式，TENG能够从周期性机械能中生成电能。在垂直接触分离模式中，设计相对简单，制造过程也较为直接。与横向滑动和自由悬浮模式相比，这种配置能够提供更长的电极耐久性，主要因为电极在运行过程中受到的磨损较小。

横向滑动模式通过两个摩擦电层在平行方向上的滑动来生成电压。该模式的结构与接触分离模式类似，根据材料差异分为介电-介电和导体-介电结构。横向滑动模式的运行原理与接触分离模式相似，但通过摩擦电层之间的相对运动来产生电场。该电场促使电子通过外部电极迁移，以平衡电势差。在该模式下，从一侧到另一侧的周期性滑动能够生成交流电流。尽管运行概念与接触分离模式相似，但横向滑动模式通常能够实现更高的功率密度，归因于其增强的电荷迁移效率。该模式可以实现比垂直接触分离更高的转换效率，因为摩擦运动能够产生更多的接触电荷。然而，增加的摩擦也会导致电极磨损加剧，从而缩短其使用寿命。

单电极模式中，摩擦电层可以自由移动，不与底电极接触。因此，可以通过自由移动的材料来生成电能。该模式的运行可靠性高度依赖于输入机械能的周期性。然而，大多数用于采集的环境机械能本质上是不规则和不可预测的。单电极模式能够通过单电极和接地点或电气参考点来解决这个问题。在单电极TENG中，机械能通过作为主电极的表面（金属或介电）输入。当该摩擦电表面与另一个带有电极并连接到地的摩擦电表面接触时，电荷转移会在它们接触时发生。当分离时，电势差会形成，从而促使电子流动。电子流动的方向取决于电势差的极性，从而生成电流。该模式能够通过在垂直或平行方向上移动摩擦电材料来生成电能。虽然该模式具有一定的设计优势，但其输出功率通常低于其他模式。此外，该模式的输出信号更容易受到耦合噪声的干扰。

自由悬浮模式中，电能由自由移动层通过与两个静止电极接触而生成。该模式的结构可以分为接触模式和滑动模式，两者都可根据摩擦电层的性质进行分类，如介电和金属。在自由悬浮模式中，当施加外部力时，摩擦电层会与顶部或底部电极接触，从而在摩擦电材料和电极的表面上产生电荷。在分离过程中，电势差会形成并促使电流在电路中流动。当摩擦电层返回另一电极接触时，电流方向会反转。这种模式结合了设计灵活性和较高的转换效率，但电极在运行过程中会经历显著的磨损，从而限制了其耐用性。

为了提升TENG的性能，研究者们采用多种策略，包括纳米材料的复合和纳米纤维表面的改性。高介电常数（高-k）纳米材料的引入是增强TENG效率的有效策略之一。高-k纳米材料能够通过增加介电常数来提升电荷捕获能力和静电感应效应，从而增强摩擦电材料的表面电荷密度和固有电容。此外，通过优化纳米纤维的直径、厚度、柔性和对齐度，能够进一步提升TENG的输出性能。这些优化措施有助于实现机械坚固性和灵活性的协同效应，同时显著提升电流密度。此外，静电纺丝技术还能够将金属盐、纳米颗粒或其他改性剂均匀地整合到纳米纤维中，通过将它们整合到前驱体溶液中。这种策略确保了对纳米纤维形貌的控制以及填料的均匀分布。后续的加工技术如煅烧还可以进一步优化晶体性、表面纹理和孔隙率，从而提升TENG的摩擦电性能。

纳米纤维的表面改性能够解决诸如机械强度低和固有疏水性差等问题，同时改善摩擦电材料的接触表面。化学改性是另一种可能的方法，可以调节接触面积、调整化学特性，并增强纳米纤维的电荷捕获位点，而无需改变基底。通过化学修饰，纳米纤维的表面特性可以被优化，从而提升其在不同环境下的稳定性。例如，通过静电纺丝和表面化学氨基修饰的结合，研究者开发了一种湿度耐受型TENG。这种TENG在55%相对湿度下实现了最高功率密度1.3 W/m2，输出电流和电压分别为28 μA和345 V。该设备在潮湿环境中保持稳定性能，能够为可穿戴设备在运动和户外使用中提供动力。

在另一项研究中，Wu等人采用了一种新颖的策略，通过静电纺丝技术利用聚乙烯醇（PVA）纳米纤维进行TENG应用。他们开发了一种超级疏水性烧结PVA/聚四氟乙烯（PTFE）复合膜，通过静电纺丝和烧结过程完成。该TENG设备由工业油吸收纸和纳米纤维层组成，能够在恶劣环境中运行，包括强酸（HCl）和强碱（NaOH）溶液的浸泡。这项研究证实了水溶性PVA可以成功转化为超级疏水性和化学耐久性的复合材料，使其在化学腐蚀性环境中特别适用于TENG基的可穿戴系统。

为了提升TENG的性能，研究者们还探索了多种材料和结构的优化策略。例如，通过静电纺丝技术将高介电常数的纳米材料整合到聚合物中，能够显著提升TENG的性能。此外，纳米纤维的表面改性也能够提高其在不同环境下的稳定性和效率。通过化学修饰和物理改性，纳米纤维的表面特性可以被优化，从而提升其电荷捕获能力和能量转换效率。这些改进措施不仅提升了TENG的性能，还使其在实际应用中更加灵活和可靠。

纳米纤维在TENG中的应用还涉及其在不同场景中的广泛适用性。例如，纳米纤维可以用于可穿戴电子设备、健康监测传感器以及环境中的机械能采集。通过静电纺丝技术，纳米纤维能够形成具有高表面积、可调孔隙率和优异机械性能的结构，从而提高摩擦电效应和能量转换效率。此外，纳米纤维的结构优化还可以提升其在环境中的适应性，使其能够满足多样化的应用需求。这些研究不仅推动了TENG技术的发展，还为未来的自供电系统提供了重要的参考。

综上所述，基于静电纺丝的纳米纤维在TENG中展现出巨大的潜力。通过优化纳米纤维的直径、厚度、柔性和对齐度，能够提升TENG的输出性能。此外，纳米材料的复合和表面改性也能够显著增强TENG的性能。这些研究不仅限于可穿戴电子设备，还能够拓展到其他领域，如医疗健康、环境监测和智能系统。通过进一步的材料选择和结构优化，纳米纤维TENG有望在未来的可持续能源系统中发挥更大的作用。