基于锂铌酸锂纳米颗粒增强的摩擦电纳米发电机在能量收集与传感应用中的性能优化研究

本研究针对机械能利用率低的问题，通过将锂铌酸锂(LiNbO3 /LiNb3 O8 )纳米颗粒掺入PDMS/PVA复合薄膜，构建高性能摩擦电纳米发电机(TENG)。实验表明，7 wt%掺杂量使器件在120 BPM下输出10.24 V电压和2.4 μA电流，并能将雨滴动能(8 N/cm2 )转化为2.25 V电能。该成果为自供能传感器和可穿戴设备提供了新方案。

　　

研究背景与意义
在物联网和可穿戴设备爆发的时代，如何高效捕获环境中的分散机械能成为关键科学难题。传统电磁发电机难以收集低频机械能，而王中林团队发明的摩擦电纳米发电机(TENG)虽能通过接触起电效应转化能量，但其输出性能受限于材料表面电荷密度。锂铌酸锂(LiNbO₃
)作为典型铁电材料，具有优异的压电和介电特性，但将其与柔性聚合物复合提升TENG性能的研究仍存在优化空间。

研究方法与技术路线
研究人员采用固相反应法合成三斜相LiNbO₃
和单斜相LiNb₃
O₈
纳米颗粒，通过溶液滴铸法制备PDMS基复合薄膜。通过SEM/XRD表征材料形貌与晶相，利用数字示波器和静电计测试电学输出。设置60-140 BPM的机械冲击频率和1.5-8 N/cm²
水压模拟不同应用场景，并构建4-8 cm²
面积器件研究尺寸效应。

主要研究结果

1. 材料表征
   SEM显示合成的LiNbO₃
   呈1μm棒状结构，EDX证实元素均匀分布。XRD证实三斜相(空间群R3c)和单斜相(C2/c)共存，后者因更高对称性表现出更稳定的铁电性。

2. 电学性能优化
   7 wt% LiNbO₃
   @PDMS器件在120 BPM下实现10.24 V开路电压(V_OC
   )和2.4 μA峰值电流，较纯PDMS提升3倍。电极间距1mm时功率密度达18 μW/cm²
   ，优于多数钙钛矿基TENG（如CsPbCl₃
   的3060 mW/m²
   ）。

3. 能量收集应用
   雨滴冲击实验显示，8 N/cm²
   水压下输出2.25 V电压，相当于半加仑雨水的动能转化效率。人体运动监测中，跑步产生的7V电压可为5V电容充电并点亮LED。

4. 传感性能验证
   器件在1000次循环后仍保持稳定输出，对步行(2-4V)、跑步(5-7V)、跳跃(8-10V)的力学响应具有显著区分度，灵敏度达0.31 kPa^-1
   。

结论与展望
该研究通过晶体相工程和掺杂优化，首次将LiNbO₃
多相结构与PDMS复合，显著提升TENG的机电转换效率。其创新点在于：①阐明单斜相LiNb₃
O₈
比三斜相更利于电荷保持；②开发出可同时收集雨滴能和生物机械能的多功能器件。未来通过界面修饰和阵列集成，有望推动其在智能皮肤和环境监测中的应用。论文发表于《Nano Trends》，为自驱动系统设计提供了新材料策略。