Pr3+掺杂BiPO4/PVA纳米复合材料在摩擦纳米发电机中的性能优化与应用研究

本研究针对摩擦纳米发电机(TENG)材料选择有限和输出功率低的问题，通过水热法合成Pr3+掺杂BiPO4(PBP)纳米颗粒，并采用溶液浇铸法制备PBP@PVA纳米复合材料。该材料使TENG输出提升至59 μA电流和282 V电压，成功驱动28个LED和数字手表，为自供电电子系统提供了新型高性能材料解决方案。

　　

随着全球对可持续能源需求的增长，摩擦纳米发电机(TENG)因其能将环境机械能转化为电能而备受关注。然而，现有TENG面临两大瓶颈：一是有效摩擦电材料选择有限，二是输出功率不足。这些问题严重制约了其在便携式电子设备中的应用。传统聚合物基材料如聚乙醇(PVA)虽具有生物相容性好、可降解等优点，但存在湿度敏感、摩擦电输出低等缺陷。

JSS科学技术大学（国内惯例翻译）的研究团队创新性地将稀土掺杂金属磷酸盐与聚合物基体结合，开发出具有优异性能的纳米复合材料。他们通过水热法合成Pr³⁺掺杂BiPO₄(PBP)纳米颗粒，并将其嵌入PVA基质制备PBP@PVA纳米复合材料。研究发现，该材料不仅显著提升了TENG的输出性能，还展现出良好的光学和热稳定性，相关成果发表在《Materials Science in Semiconductor Processing》上。

研究采用水热法合成PBP纳米颗粒，通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)表征其结构形貌，采用溶液浇铸法制备不同含量(0.0-4.0 wt%)的纳米复合材料，并系统测试了其热学、光学和电学性能。最终通过构建TENG器件评估实际应用效果。

【X射线衍射研究】证实PBP纳米颗粒为单斜晶系(P2₁/n空间群)，TEM显示其具有均匀的棒状形貌。EDX和FTIR分析验证了元素组成及PBP与PVA基质的相互作用。

【材料性能】接触角测试表明纳米颗粒的加入改变了材料表面能；DSC显示复合材料热稳定性提高；光学研究发现紫外吸收边从215 nm(PBP)红移至238 nm(PBP@PVA)，直接带隙从5.30 eV(纯PVA)降至5.08 eV(4.0 wt% PBP)。

【应用效果】基于该纳米复合材料的TENG实现了59 μA电流和282 V电压的峰值输出，性能显著优于纯PVA。收集的能量可点亮28个LED、为电容器充电并驱动数字手表运行。

该研究的创新性体现在首次将金属磷酸盐基纳米复合材料应用于TENG，相比传统的硫化物或氧化物填料，PBP@PVA展现出更优异的电荷存储能力、界面结合强度和稳定性。这不仅拓展了TENG材料的选择范围，更为开发高性能、柔性化自供电系统提供了新思路。研究证实稀土掺杂可有效调控材料能带结构，通过引入局域能级增强电荷分离，而磷酸盐基质的稳定特性则保障了器件的长期可靠性。这些发现对推动下一代可持续能源技术的发展具有重要意义，特别是在可穿戴电子、物联网传感器等新兴领域展现出广阔应用前景。