MgO/PVDF-HFP电纺纳米纤维基摩擦纳米发电机用于机械能收集与边界安防传感

《Small》：MO/PVDF-HFP Electrospun Nanofiber-Based Triboelectric Nanogenerator for Mechanical Energy Harvesting and Boundary Security Sensing

　　

全球对可持续自供能可穿戴电子设备的能源需求快速增长。摩擦纳米发电机（TENG）因能将日常人体活动的机械能转化为电能而成为极具前景的方案。研究人员通过一步水热法合成氧化镁（MgO，简写MO）纳米颗粒（NPs），将其以不同浓度掺入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP），经电纺制成纳米纤维膜（NFs）。所制薄膜柔韧性高，适用于运动传感与能量收集。其中0.05 wt% MO/PVDF-HFP NF表现出最优电输出：电压180 V、电流5 μA、电荷密度45 μC·m?2、功率密度1.5 W·m?2。该TENG经稳健性、稳定性与长期耐久性测试后，被集成至自供能边界探测安防系统，可检测限制区或未经授权区域的人体活动。该方法以可持续、低成本、高能效策略推动自供能安防与边界监控发展。

研究背景方面，快速工业化与人口增长使能耗攀升，从环境源回收可再生能源成为重要方向。自供能可穿戴与柔性传感在健康监测、人机交互、电子皮肤等场景价值凸显，而摩擦纳米发电机（TENG）凭借轻量、低成本、高电压与对微动敏感等特性，成为机械能收集与自供能传感的核心技术之一。TENG输出受材料摩擦电性、表面形貌、介电性与接触面积制约；电纺纳米纤维膜（NFs）因高孔隙率与大比表面积可增强电荷捕获，PVDF-HFP则兼具高介电性、高β相含量与优良电纺适性。现有研究多关注填料改性，但MgO（MO）纳米颗粒（NPs）掺入PVDF-HFP电纺膜并用于边界安防的系统工作仍不充分，因此研究人员开展MO/PVDF-HFP NF基TENG的制备、优化与应用验证。

主要关键技术方法上，研究人员采用一步水热法合成MO NPs，通过Mg(NO₃)₂·6H₂O与KOH反应、水热晶化及煅烧获得立方相颗粒；以DMSO/丙酮混合溶剂溶解PVDF-HFP，加入不同质量分数MO NPs后经电纺（11 kV、1 mL·h^?1、15 cm接收距）制得NFs；利用FE-SEM、EDX、XRD、XPS、FT-IR表征形貌与物相，依Beer-Lambert定律算β相分数；用LCR仪测介电常数、AC电导与介电损耗；以接触-分离模式搭配纸正极测电压/电流/电荷密度，COMSOL仿真电势分布；通过2万次循环与110天存放评估耐久，桥式整流后对电容充电并驱LED/LCD；最终将TENG信号经电阻分压接入Arduino Uno实现边界越界报警。

研究结果部分，2.1节制备MO NPs与MO/PVDF-HFP NF基TENG显示，水热法得均匀MO NPs，电纺膜随MO量增加至0.05 wt%仍均匀分散，过量则团聚致纤维网不规则。2.2节表征表明EDX证实Mg/O均布，XRD匹配JCPDS 00-007-0239立方相，XPS中Mg 1s（1303、1304.1 eV）与O 1s（531、532.3 eV）分别对应Mg²⁺、晶格氧与氧空位；FT-IR算得β相分数由裸膜33.08%升至0.05 wt%时41.67%，源于电场诱导取向与界面作用，过量MO因团聚使β相回落。2.3节介电与机理指出0.05 wt%样品在10 Hz介电常数4.2最优，AC电导随频与浓度升，介损先降后升；接触-分离机理中MO/PVDF-HFP为负电层、纸为正电层，COMSOL显示接触/分离阶段电势极值。2.4节电输出显示裸膜约69 V/2.35 μA/23.87 μC·m^?2，0.05 wt%达185 V/5.16 μA/47.35 μC·m^?2（摘要取整为180 V/5 μA/45 μC·m^?2）；纸电极优于Teflon/Cu/Al/PET；9 N、5 Hz下2万次循环保留98.9%，110天保留98.8%；0.3 GΩ负载功率密度1.69 W·m^?2（摘要取整1.5 W·m^?2），整流后22 μF电容680 s充/11 s放，可点亮LED与LCD。2.5节应用展示敲击、肘弯、落座等人体动作发电，并集成Arduino构成边界探测安防，响应约9 ms，越界即报警。

讨论与结论部分，研究人员总结MO NPs水热合成与PVDF-HFP电纺复合使0.05 wt%处β相与介电性协同最优，从而最大化表面电荷密度与电输出；该TENG在机械耐久、长期存放、电容充放电与自供能传感上均可靠，尤适于限制区人体移动探测。论文发表于《Small》。结论译文如下：研究人员通过单步电纺制备MO/PVDF-HFP NF基TENG；MO NPs经水热合成并入PVDF-HFP，0.05 wt%时介电与β相分数最高，电输出达180 V、5 μA、45 μC·m^?2与1.5 W·m^?2；器件经机械稳定与耐久测试后可收集人体日常机械能，并作为传感器集成至边界探测安防系统，在未经授权进入时向管理端发警报，为自主安防提供可持续、低成本、高能效路径。