氧空位富集Re2Zr2O7/SrTiO3异质结构宽温域电输运特性研究

为提升摩擦纳米发电机(TENG)性能，研究人员开发了Pr3+掺杂BiPO4/PVA纳米复合材料(PBP@PVA)，通过水热法和溶液浇铸法制备的0.0-4.0 wt%负载量样品，展现出单斜晶系结构、5.08 eV带隙及282 V输出电压，可驱动28个LED，为自供电电子系统提供新方案。

　　

随着便携式电子设备与物联网技术的快速发展，对可持续能源解决方案的需求日益迫切。传统能源存在污染、不可再生等问题，而环境中的机械能因其无处不在的特性成为理想能源来源。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）作为一种新兴能量收集技术，通过接触起电和静电感应原理将机械能转化为电能，具有结构简单、材料选择广等优势。然而，现有TENG面临两大瓶颈：一是高性能摩擦电材料种类有限，二是输出功率较低。这些问题严重制约了TENG在可穿戴设备、自供电传感器等领域的实际应用。

印度JSS科学技术大学（JSS Science and Technology University, Mysuru）的M. Sahana团队针对这一挑战，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Pr³⁺掺杂BiPO₄/PVA纳米复合材料（PBP@PVA）。该研究发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，通过系统优化材料体系与器件结构，显著提升了TENG的电输出性能。

研究采用水热法合成Pr³⁺掺杂BiPO₄纳米颗粒（PBP），通过溶液浇铸法制备0.0-4.0 wt%不同负载量的PBP@PVA纳米复合材料。利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）表征材料结构形貌，差示扫描量热法（DSC）分析热稳定性，紫外-可见光谱测定光学带隙，接触角测试评估表面润湿性，并构建接触分离式TENG器件测试电输出性能。

材料表征结果
XRD证实PBP为单斜晶系（空间群P2₁/n），TEM显示其呈均匀棒状形貌。EDX证实Pr³⁺成功掺杂，FTIR显示PBP与PVA基质存在相互作用。随着PBP含量增加，复合材料接触角从72.3°降至54.8°，表面能显著提高；DSC显示4.0 wt%样品热分解温度提升15℃，热稳定性增强；光学带隙从纯PVA的5.30 eV降至5.08 eV，紫外吸收边红移23 nm。

电学性能突破
基于4.0 wt% PBP@PVA的TENG器件输出电流达59 μA，电压282 V，较纯PVA提升近3倍。实际应用测试表明，该器件可同时点亮28个LED，为电容器充电并驱动数字手表运行。性能提升源于三方面机制：1) Pr³⁺掺杂引入氧空位，增强电荷捕获能力；2) PBP纳米棒提供更多接触位点；3) PVA基质与PBP的协同效应优化电荷转移。

这项研究首次将金属磷酸盐材料应用于TENG领域，突破了传统硫化物/氧化物基材料的性能局限。PBP@PVA纳米复合材料兼具优异的热稳定性（分解温度＞200℃）、机械强度（弹性模量提升40%）和可加工性，为开发柔性、高输出TENG器件提供了新材料体系。该成果不仅拓展了摩擦电材料的选择范围，更通过稀土掺杂工程策略，为设计高性能能量收集器件提供了新思路，对推动自供电电子系统发展具有重要意义。未来通过进一步优化掺杂浓度与器件结构，这类材料有望在智能穿戴、环境监测等领域实现规模化应用。