电纺PVDF/Si-HBP-G1复合纳米纤维增强TENG电荷密度与功率输出：面向可持续可穿戴电子器件的新策略

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Electrospun PVDF/Si-HBP of 1?st generation composite nanofibers: enabling enhanced charge density and power output in TENG

本研究针对传统电池在物联网时代面临的寿命短、更换频繁及环境负担等问题，提出通过将实验室合成的硅烷核超支化聚酯（Si-HBP-G1）与聚偏氟乙烯（PVDF）通过电纺技术复合，构建高性能摩擦纳米发电机（TENG）。优化后的PVDF/Si-HBP-G1-15 wt%复合纳米纤维作为摩擦负性层，与铝电极组成TENG器件，实现了76 V的开路电压、2.1 μA的短路电流、8.3 μC·m?2的电荷密度及0.035 W·m?2的峰值功率密度。该器件成功驱动了40个LED和秒表，并对手指敲击、弯曲等机械刺激产生灵敏电压响应，证明了其在能量收集和自供电传感系统中的实用潜力。

　　

随着物联网时代的到来，数以亿计的传感器和设备需要持续供电，传统电池因其有限的寿命、频繁更换的需求以及环境负担逐渐难以满足分布式网络的能源需求。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种能够将环境中机械能转化为电能的技术，凭借其高转换效率、灵活性和环境友好性成为研究热点。然而，TENG的性能很大程度上取决于摩擦层材料的电荷密度，而传统无机填料虽能提升性能，却易因团聚问题导致纤维结构不均，制约了其实际应用。

为解决上述问题，研究人员提出将具有硅烷核的超支化聚酯（Si-HBP-G1）作为新型有机添加剂，通过电纺技术与聚偏氟乙烯（PVDF）复合制备高性能纳米纤维摩擦层。该研究发表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》，系统探讨了Si-HBP-G1对PVDF晶体结构、纤维形貌、介电特性及TENG输出性能的调控机制。

在方法学上，作者首先通过一锅法缩聚合成Si-HBP-G1，并利用FTIR和¹H-NMR验证其结构；随后采用电纺技术制备不同Si-HBP-G1含量（0–20 wt%）的PVDF复合纳米纤维；通过SEM、AFM、XRD、拉伸测试、TGA-DSC等手段系统表征纤维的形貌、晶体结构、力学与热学性能；最后以铝电极为对电极组装接触-分离模式TENG器件，评估其电输出性能及在能量收集与触觉传感中的应用潜力。

结构表征与相互作用机制

FTIR和XRD结果表明，Si-HBP-G1的引入通过氢键作用促进PVDF中非极性α相向极性β相转变，PG1-15样品的β相含量从纯PVDF的78.1%提升至85.4%。分子动力学模拟进一步揭示，Si-HBP-G1可加速电场诱导下的α→β相变过程，其超支化结构为PVDF链段重排提供了成核位点。

形貌与界面特性

SEM显示随着Si-HBP-G1含量增加，纤维直径从343 nm（PG1-0）降至76 nm（PG1-15），AFM分析表明表面粗糙度显著提高（R_q从310 nm增至710 nm），有效增加了接触面积和电荷捕获位点。EDS元素映射证实Si-HBP-G1在纤维中均匀分散。

电学与输出性能

介电常数在PG1-15中达到3.12（100 Hz），静态表面电位提升至–1030 V。优化后的PG1-15/Al-TENG器件在12 N载荷、6 Hz频率下输出开路电压76 V，短路电流2.1 μA，电荷密度8.3 μC·m^?2，峰值功率密度0.035 W·m^?2。COMSOL仿真验证了接触-分离过程中的电势分布规律。

应用验证

该TENG可通整流电路为1–10 μF电容充电，并直接驱动40个LED和数字秒表。在柔性触觉传感测试中，器件对手指弯曲和梯度敲击产生2.8 V以上的电压响应，展现出作为自供电传感器的潜力。

本研究通过分子设计、电纺工艺与器件优化相结合，成功开发出基于PVDF/Si-HBP-G1复合纳米纤维的高性能TENG。Si-HBP-G1不仅通过氢键和成核效应促进PVDFβ相形成，还因其丰富的极性基团和超支化结构增强了电荷捕获与传输能力。该工作为有机-聚合物复合摩擦材料的开发提供了新思路，推动了TENG在可持续能源收集和智能传感系统中的实用化进程。