物联网时代，电子设备日益小型化、便携化，传统能源技术难以满足其能源需求。微纳能源领域应运而生，通过利用前沿的微纳材料和技术，微纳能源能够有效地收集和存储环境能量，从而为电子设备提供持续、免维护、自给自足的电力。其中耦合纳米发电机结合摩擦与压电效应，优势显著，但目前提升其性能的方法存在成本高、工艺复杂等问题，亟待解决 。近日，南京工业大学机械与动力工程学院的陈舟教授带领的团队在《Advanced Engineering Materials》期刊发表了题为“High-Performance Coupled Nanogenerators Based on Electrospun Porous PU@PVDF-ZnO Nanofibers with Core–Shell Structure”的最新研究成果。该团队通过静电纺丝技术制备出一种基于多孔核壳结构纳米纤维的高性能耦合纳米发电机。这一成果为可持续能源收集领域提供了新的材料设计思路，有望推动可穿戴电子设备的发展。

团队通过静电纺丝技术将材料结合在一起，成功制备了四种不同类型的纳米纤维，包括 PVDF-ZnO 纳米纤维、多孔 PVDF 纳米纤维、PU@PVDF 纳米纤维和多孔 PU@PVDF-ZnO 纳米纤维。这些纤维的制备过程涉及多种混合溶液的配制、磁力搅拌以实现均匀复合，以及在高电场下进行静电纺丝（详见图1）。

其中，多孔 PU@PVDF-ZnO 纳米纤维在制备后还经过乙醇和去离子水的超声震荡处理，以去除聚乙烯吡咯烷酮（PVP），从而形成多孔结构。这一步骤显著提高了纤维的表面粗糙度和比表面积（见图2a-e）。研究还关注了不同 ZnO 浓度对纤维性能的影响，发现 ZnO 的加入促进了 PVDF 中 β 相的形成。

​图 2：纳米纤维的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像和直径分布直方图：a - e.PVDF-ZnO、多孔 PVDF、PU@PVDF、PU@PVDF/PVP-ZnO 和多孔 PU@PVDF-ZnO 纤维的直径分布直方图；f.PU@PVDF/PVP-ZnO 纤维膜的水接触角；g. 多孔 PU@PVDF-ZnO 纤维膜的水接触角。

基于多孔 PU@PVDF-ZnO 纤维的纳米发电机展现出了卓越的电学性能。实验数据显示，该纳米发电机的输出电压可达到 129.3 V，短路电流为 0.644 μA，输出功率密度为 0.0021 μW/m²。这些性能指标表明该设备在能量收集和转换方面具有显著优势（见图3a、b）。

除了电学性能外，该纳米发电机还展现出了优异的机械性能。其拉伸强度达到了 8.8 MPa，断裂伸长率为 196.7%（见图4）。此外，纳米纤维膜的水接触角为 104.75°，显示出良好的疏水性。在 160°C 的高温环境下，纤维膜仍能保持良好的形态完整性。在耐久性测试中，经过 5000 次接触分离循环后，其电输出依然稳定，这证明了设备在长期使用中的可靠性（见图5i）。

图5：a、b. 不同频率下耦合纳米发电机的输出性能；c. 不同接触面积下耦合纳米发电机的输出性能；d、e. 不同分离距离下耦合纳米发电机的输出性能；f. 基于多孔 PU@PVDF-ZnO 纳米纤维的耦合纳米发电机和压电纳米发电机的性能比较；g、h. 纳米纤维膜洗涤前后的性能比较；i. 纳米发电机的循环稳定性；j. 电路管理系统；k、l. 拍手驱动纳米发电机；m. 点亮的发光二极管    

文章来源： https://doi.org/10.1002/adem.202500549