摘要：近年来，基于摩擦带电和静电感应效应耦合的摩擦电纳米发电机（TENG）通过从周围环境中收集低频机械能，提供了一种新的能源供应解决方案。研究人员寻求各种材料策略来提高基于纳米纤维TENG的输出性能或探索其功能应用。最近，摩擦材料的发光特性提供了一种简单的信息传输方

香港科技大学訾云龙教授：碳量子点功能化纳米纤维基摩擦电纳米发电机，具有增强输出和荧光功能

近年来，基于摩擦带电和静电感应效应耦合的摩擦电纳米发电机（TENG）通过从周围环境中收集低频机械能，提供了一种新的能源供应解决方案。研究人员寻求各种材料策略来提高基于纳米纤维TENG的输出性能或探索其功能应用。最近，摩擦材料的发光特性提供了一种简单的信息传输方式，并有望与TENG集成，为可穿戴电子设备中的交互信号可视化开辟新的途径。

近日，香港科技大学（广州）訾云龙教授团队提出了基于碳量子点/聚偏氟乙烯（CDs/PVDF）的复合纳米纤维材料，并作为一种高负极材料来提高摩擦电纳米发电机（TENGs）的输出性能。相关研究成果以“Carbon Quantum Dot Functionalized Nanofiber‐Based Triboelectric Nanogenerator With Boosted Output and Fluorescence Function”为题目，发表在期刊《Interdisciplinary Material》上。香港中文大学博士后郭茹博士为第一作者，訾云龙教授为主要通讯作者，中南大学罗行教授、周学凡教授为共同通讯作者。

纳米尺寸和表面功能化的CDs作为成核诱导剂，促进了PVDF聚合物的极化β相转变。CDs/PVDF纳米纤维膜通过β相PVDF极化产生更多的负表面电荷密度，从而导致更大的静电电位差，从而增强电荷转移。除了减少了珠状缺陷外，还产生了更均匀的纤维形态，提高了有效接触面积。此外，CDs/PVDF复合纳米纤维显示出独特的多色荧光效应，使其在可视化显示和传感方面具有广阔的应用前景。最后，制备的TENG具有~61.8 mA/m2的短路电流密度和~11.7 W/m2的最大峰值功率密度，超过了迄今为止报道的大多数基于纳米纤维的TENG。作为应用潜力的演示，该TENG显示了充电电容器的能量收集能力，并点亮125个绿色LED灯，以及用于人体运动监测的自供电传感能力。这项工作为开发用于高输出TENGs的新型摩擦材料提供了见解，这些材料在生物力学能量收集、自供电传感等方面具有广阔的潜力。

图2 量子点粉末及CDs/PVDF纳米纤维膜的表征。

图3（A-E）不同CD浓度下电纺丝CDs/PVDF纳米纤维的SEM图像。(F) CDs/PVDF纳米纤维具有良好的疏水性。分别在(G) 389、(H) 458和(I) 488 nm光激发下观察了电纺CDs/PVDF纳米纤维的LSCM图像。(J) CDs/PVDF纳米纤维在389、458和488 nm激发下的PL光谱和(K) CIE图。

图4 (A) CDs/ PVDF-Nylon66 TENG结构垂直接触分离方式示意图。(B) TENG的工作机制。(C) COMSOL模拟的TENG电位分布。TENG的电输出性能。(D)不同CD含量下CD/PVDF纳米纤维的Isc、(E) Voc、(F) σsc。(G) 10 ~ 90 N不同接触力作用下，TENG的Isc和(H) Voc。(I)在1至9赫兹的不同工作频率下，TENG的Isc及(J) Voc。(K) TENG运行12000次的稳定性。

图5 输出性能增强机制。(A)单分子静电电位分布及表面积直方图：(i)尼龙66，(ii) α-PVDF, (iii) β-PVDF。(B)接触界面静电势分布：(i)尼龙66/α-PVDF和（ii）尼龙66/β-PVDF。(C) KPFM表征的原始PVDF和8 wt% CDs/PVDF纳米纤维膜的形貌图像和表面电势。(D)解释接触电位差的示意图。(E)表面直流电压表测试不同CD含量的LPPS-NFC膜接触分离前后的表面电位。(F)表面电位随时间的变化。

图6 CDs/PVDF–Nylon66 TENGs的应用演示。(A)输出电流和电压。(B)可变外部电阻下TENG的输出功率密度。(C)本工作与相关报道的输出电流和功率密度对比[17,43 -51]。(D)整流和电容充电电路原理图。(E) TENG电容器充电电压曲线。(F)整流TENG点亮125个绿色led。(G)在身体运动的不同机械刺激下，演示TENG作为自供电的可穿戴生物运动传感器。(H) CDs/PVDF纳米纤维膜的演示。

综上所述，CDs/PVDF复合纳米纤维被认为是一种高负摩擦电材料。具体来说，CDs的加入促进了极化β晶相的形成，这得益于其纳米尺寸和表面功能化。此外，通过减少静电纺丝过程中的串珠缺陷，大大改善了CDs/PVDF纳米纤维的表面形貌，得到了更加均匀的纳米纤维。最重要的是，CDs/PVDF纳米纤维显示出颜色可调的光致发光特性的独特优点，使其在可视化显示和可穿戴电子产品的传感方面具有潜在的应用前景。

与PVDF -尼龙66相比，尼龙66-8 wt%CDs/PVDF的TENG输出电压和电流分别提高了2.4倍和2.0倍。这种增强机理证明，随着偶极-偶极相互作用的增多和静电耦合效应的增强，PVDF中β相的极化增大了与正Nylon66的能级差，有利于接触带电过程中的电荷转移。经过优化的工作力和频率，CD/ PVDF-Nylon66 TENG具有优异的输出性能，短路电流密度为~61.8 mA/m2，最大峰值功率密度为~11.7 W/m2，超过了最近报道的许多基于纳米纤维的TENG。在实际应用中，CDs/ PVDF-Nylon66 TENGs的能量收集能力通过有效地为各种商用电容器充电并快速点亮125个绿色LED来证明。此外，利用CDs/PVDF纳米纤维构建自供电可穿戴传感器，实时检测身体运动的电信号。这项工作为在高输出TENGs中开发新型摩擦材料提供了范例，并为自供电可穿戴电子产品提供了可持续和环保的能源解决方案。

来源：科学研习社