电纺TiO2-PVDF纳米复合膜用于高性能液固摩擦纳米发电机的级联结构设计及其环境监测应用

本研究针对传统PVDF基摩擦纳米发电机（TENG）表面电荷密度低、介电常数不足的问题，通过电纺技术将金红石和锐钛矿相TiO2纳米颗粒嵌入PVDF基质，显著提升β相含量（达87.6%），使输出功率提升8倍至0.55 W/m2。创新的级联结构设计进一步放大了液固接触电荷转移，为自供电传感和环境监测提供了高效解决方案。

　　

随着物联网（IoT）和智慧城市的发展，传统碳基能源系统已难以满足分布式传感器的供电需求。摩擦纳米发电机（TENG）因其高效机械能转换特性成为研究热点，但现有液固摩擦纳米发电机（LS-TENG）仍面临PVDF聚合物极化不足、输出功率低的瓶颈。韩国INNOVESTO公司的研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，通过电纺技术构建TiO₂-PVDF纳米复合膜，结合级联架构设计，实现了性能突破。

研究采用电纺（electrospinning）制备不同晶相（锐钛矿/金红石）TiO₂掺杂的PVDF膜，通过场发射扫描电镜（FE-SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征形貌与β相含量，以ITO电极组装TENG器件测试电输出性能。

材料表征
FE-SEM显示电纺纤维直径均匀（图1），金红石TiO₂（5 wt%）样品β相含量最高（87.6%），因其高介电常数（ε≈90-170）促进PVDF偶极取向。

电性能测试
优化后的RT/PVDF-5器件输出电压6.9 V、电流71.03 μA，功率密度达0.55 W/m²，较纯PVDF提升8倍。级联结构通过序列化液固接触实现电荷累积放大。

环境响应
器件对流体流速和pH变化表现出高灵敏度，在酸性环境中因H⁺吸附增强电荷转移效率。

该研究通过晶相调控和结构创新，解决了PVDF基TENG极化不足的核心问题。金红石TiO₂的介电增强效应与电纺工艺的协同作用，为自供电环境传感器提供了可规模化生产的解决方案。级联设计突破了单层器件的输出限制，推动TENG在分布式能源领域的实用化进程。