双金属氧化物CrBiO4集成能量收集装置：迈向自供电接近传感器的突破

为解决物联网和可穿戴设备对可持续微型电源的需求，研究人员开发了基于聚维醇(PVA)-铬铋氧化物(CBO)复合材料的摩擦纳米发电机(TENG)。通过绿色合成法制备的CBO显著提升了材料的介电性能和表面电荷密度，使器件在7 Hz和10 N条件下输出304.56 V电压和2.79 μA电流。该装置成功实现了电容器充电、LED阵列供电及50 cm内非接触式接近传感，为自供电人机交互系统提供了新方案。

　　

随着物联网(IoT)和智能传感技术的快速发展，传统电池的局限性日益凸显——体积大、寿命有限且需频繁更换。尤其在接近传感器领域，这种缺陷严重制约了其在工业自动化、生物医学监测等场景的应用。摩擦纳米发电机(TENG)虽能通过机械能转化解决供电问题，但现有材料普遍存在输出电流低、稳定性差等瓶颈。

针对这一挑战，国内研究人员创新性地采用绿色合成法制备了铬铋氧化物(CBO)双金属氧化物，并将其嵌入聚维醇(PVA)基质构建复合材料。通过X射线衍射(PXRD)、扫描电镜(SEM)等技术证实，CBO纳米颗粒在PVA中均匀分散，形成具有高介电常数(ε)和丰富电荷陷阱位点的活性层。当器件在7 Hz频率和10 N压力下工作时，可产生304.56 V的峰峰值电压和2.79 μA电流，性能显著优于传统TENG材料。

Analyses of PVA-CBO nanocomposites
傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测到Cr=O和Bi-O特征振动峰，证实了金属氧化物与聚合物基体的强界面相互作用。介电测试显示复合材料在1 kHz下介电常数提升近3倍，这归因于CBO中Cr³⁺/Cr⁶⁺多价态转换和Bi³⁺的高电负性协同效应。

Self-powered electronics
实际应用中，该器件通过桥式整流器在30秒内将3.3 μF电容器充电至5 V，并能驱动20个串联LED。更引人注目的是其接近传感功能：当人体接近50 cm范围内时，电压峰值变化达42%，响应时间仅0.8秒，这源于CBO介电层对静电场的高度敏感性。

Conclusions
该研究不仅开发出具有优异机电转换效率的PVA-CBO复合材料，更首次实现了TENG在非接触传感领域的双重功能集成。相比传统NiFe₂O₄或ZnFe₂O₄基TENG，其电流输出提升2.1倍且稳定性超过10,000次循环。这种将能量收集与传感功能融于一体的策略，为开发新一代自供电智能系统提供了重要范式。

关键技术方法

1. 以芦荟提取物为燃料的绿色燃烧法合成CBO纳米颗粒
2. 溶液浇铸法制备PVA-CBO复合薄膜
3. SEM/EDS表征材料形貌与元素分布
4. 介电谱测试复合材料极化特性
5. 定制化测试系统评估TENG机电转换性能

研究意义
这项工作通过分子设计解决了TENG领域两大核心问题：一是通过双金属氧化物的价态调控突破输出性能瓶颈；二是首次实现单一器件同时具备能量收集与接近感知功能。这种"一材双功能"的设计思路，对发展免维护的智能安防系统、医疗监测设备具有重要指导价值。