采用褶皱状P(VDF-TrFE)/MXene纳米纤维的柔性混合模式摩擦电纳米发电机，用于高效收集雨滴能量

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Flexible Hybrid-Mode Triboelectric Nanogenerator with Wrinkled P(VDF-TrFE)/MXene Nanofibers for High-Efficiency Raindrop Energy Harvesting

　　

曲梦楠|刘子琪|魏晓|刘辉|刘庆华|张瑞哲|薛坤|黄宗瑞|王毅|何金梅

中国西安710054，西安科技大学化学与化工学院

摘要

本研究通过整合基于液滴的模式与独立层模式，设计出一种灵活的混合模式DF-TENG，能够同步捕获雨滴中的静电能和动能。我们制备了掺杂0.5wt% MXene的起皱电纺P(VDF-TrFE)/MXene纳米纤维膜，这种结构显著提升了界面极化、介电性能以及极性β相的结晶度。与传统商用FEP膜和未掺杂的PVDF膜相比，优化后的膜使输出电压分别提升了约82%和65%。此外，柔性悬臂结构还起到了频率倍增的作用，进一步提高了能量转换效率。该DF-TENG能够持续为50多个商用LED灯及低功耗设备（如湿度计、秒表）供电，展现出在自供电电子设备及环境监测领域的巨大应用潜力。

引言

摩擦电纳米发电机是一种新兴的能量收集技术，能够高效地将微弱的机械能转换为可用电能。由于其极高的灵活性和出色的环境适应性，它在智能传感、便携式电子设备以及自供电系统等领域具有广阔的应用前景[1]–[5]。在各种环境中的机械能中，雨滴撞击产生的间歇性、低频机械能量是一种分布广泛却尚未得到充分利用的可再生能源[6]–[9]。传统的基于液滴的摩擦电纳米发电机主要依靠液固接触产生的静电能，往往无法有效利用雨滴撞击带来的巨大动能，从而导致整体能量转换效率较低[10]–[15]。此外，常用的PVDF或FEP薄膜在长期反复受击后容易出现磨损和电荷衰减，进一步影响了这类设备的耐用性和长期性能[16]–[21]。为了解决这些问题，开发一种能够同时捕获静电能和动能的灵活型混合结构，已成为提升能量收集效率及实际应用价值的迫切需求[22]–[28]。

近年来，大量研究致力于通过材料创新和结构优化来提升摩擦电纳米发电机的性能。具有高介电常数的聚合物，尤其是聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物[P(VDF-TrFE)]，因其优异的灵活性和天然的极性响应特性，成为极具潜力的候选材料[29]–[31]。作为典型的二维功能材料，MXene也因高导电性、丰富的表面功能基团以及强大的界面极化能力，被广泛用作摩擦电层的掺杂剂[32]–[35]。先前的研究表明，在P(VDF-TrFE)基体中适量掺入MXene，可以协同提升介电常数，促进极性β相晶体的形成，并增强电荷存储能力，从而显著提高摩擦电转换效率。此外，电纺技术也被广泛用于制备具有大比表面积和高界面粗糙度的纳米纤维膜，这有助于更好地实现电荷分离与传输[37]。通过构建微纳结构（如皱纹结构），还可以进一步增大有效接触面积并强化局部电场，从而有效提升摩擦电输出性能。

受到悬臂梁力学原理的启发，我们提出了一种高性能的混合模式摩擦电纳米发电机DF-TENG，其特点在于采用了带有特殊微结构的柔性摩擦层（如图1b所示）。该DF-TENG结合了基于液滴的摩擦电纳米发电机D-TENG与独立层结构的摩擦电纳米发电机F-TENG。其中，D-TENG以含氟的乙烯丙烯共聚物FEP薄膜和液滴作为摩擦界面，而F-TENG则利用电纺得到的掺MXene的P(VDF-TrFE)纳米纤维膜以及铜电极，共同捕获雨滴撞击产生的静电能和动能。通过用柔性悬臂梁替代传统刚性结构，DF-TENG能够在微小雨滴冲击下产生大幅振幅的多次振荡，显著增强了F-TENG部分的频率倍增效应和电荷放大效果。实验结果表明，通过控制溶剂蒸发的方式，成功制备出了具有可控表面皱纹结构的MXene掺杂P(VDF-TrFE)摩擦层，其输出电压相较于光滑的未处理FEP和PVDF薄膜分别提升了约82%和65%。实际测试表明，经过优化的混合式DF-TENG能够持续为50多个商用LED灯供电，同时还能为数字温度计、湿度计、秒表等低功耗电子设备充电。

本研究设计的混合式DF-TENG整合了基于液滴的模式与独立层模式的摩擦电机制，实现了对雨滴静电能和动能的同步捕获。借助柔性悬臂梁带来的频率倍增效应以及具有增强界面极化特性的起皱P(VDF-TrFE)/MXene纳米纤维膜，该装置能够在间歇性的雨滴作用下实时稳定输出电能，无需额外的能量存储模块即可直接驱动LED灯、湿度计、秒表等商用低功耗电子设备。这一设计不仅拓展了摩擦电纳米发电机的多功能应用框架，还为户外环境监测、便携式自供电系统以及智能传感终端中的雨滴能量收集技术提供了切实可行的实现方案，有望加速这项技术的实际应用进程。

章节要点

P(VDF-TrFE)/MXene纳米纤维膜的制备

首先在分析天平上精确称取一定量的P(VDF-TrFE)粉末，然后将其放入烧杯中。接着加入质量比为3:2的N,N-二甲基甲酰胺与丙酮混合溶剂，密封烧杯后将其置于50℃的水浴中搅拌，直至得到浓度为12wt%的P(VDF-TrFE)前驱体溶液。另外，将MXene粉末（见图S1-2）以10wt%的比例分散在相同的DMF:丙酮（3:2）混合溶液中，通过超声处理30分钟，使其均匀分散。

混合模式DF-TENG的结构构建

如图1所示，通过电纺技术成功制备出了不同MXene掺杂量（0、0.25、0.5、0.75和1.0wt%）的P(VDF-TrFE)/MXene纳米纤维膜（见图1a）。首先将P(VDF-TrFE)粉末溶解在由DMF和丙酮组成的混合溶剂中，再通过超声处理使MXene纳米片均匀分散在溶液中，随后通过电纺工艺得到纳米纤维膜，使得MXene纳米片均匀嵌入聚合物基质中。

结论

在本研究中，我们设计并制备了一种采用掺杂0.5wt% MXene纳米片的电纺P(VDF-TrFE)纳米纤维膜构成的混合模式摩擦电纳米发电机DF-TENG。通过控制溶剂蒸发在材料表面形成微尺度皱纹结构，显著提升了膜的介电性能、界面极化程度以及电能输出水平。与未经处理的FEP和PVDF薄膜相比，该方法使输出电压分别提升了约82%。

作者贡献说明

薛坤：数据整理。黄宗瑞：结果可视化。王毅：实验研究。何金梅：结果验证、资金获取、统计分析。曲梦楠：论文撰写与编辑、项目监督、资金申请、概念构思。刘子琪：论文初稿撰写、实验方法设计、概念构思。魏晓：结果可视化、实验研究、统计分析。刘辉：项目管理工作。刘庆华：软件应用。张瑞哲：资源协调。

利益冲突声明

所有作者均声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22401228）、陕西省科学技术厅（项目编号2024JC-JCQN-21、2024JC-YBMS-077）、陕西省教育厅（项目编号25JC060）以及陕西省高校青年创新团队计划（项目编号24JP105、25JP108）的资助。