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香港城市大學胡金蓮教授團隊《ACS Nano》: 鈣鈦礦納米晶誘導的核殼無機有機納米纖維用于高效能量收集和自供電監測

2024-03-26 來源：高分子科技

新興的可穿戴電子產品領域需要靈活、輕便、高容量、耐用、舒適的日常使用電源，摩擦電納米發電機(TENGs)為未來的自供電技術提供了一個很有前途的解決方案。摩擦電極的輸出性能受摩擦材料的固有特性影響很大，有機聚偏氟乙烯(PVDF)和共聚物如聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVDF-HFP)被認為是潛在的可穿戴納米發電機的電活性材料，但PVDF聚合物的結晶度較低，極化較弱等導致其摩擦電性能較差。因此，提高PVDF活性相以及極化有利于提升PVDF的表面電荷密度以及TENGs的整體性能。

近日，香港城市大學胡金蓮教授團隊基于非鉛鈣鈦礦納米晶制備了核殼結構的無機有機納米纖維摩擦電材料。以非鉛鈣鈦礦Cs₂InCl₅(H₂O)為誘導劑，PVDF-HFP納米纖維在單軸方向上呈現出β相增強和自對準的納米晶體。基于復合納米纖維的TENG在輸出電壓(681 V)、輸出電流(53.1 μ A)和峰值功率密度(6.94 W m^-2)方面均有顯著改善，可以實現人體運動能量收集和自供電監測。相關成果以“Perovskite Nanocrystals Induced Core–Shell Inorganic–Organic Nanofibers for Efficient Energy Harvesting and Self-Powered Monitoring”為題發表在《ACS Nano》。

鈣鈦礦具有能量可調性、高介電常數和電子遷移率等優點，可以促進電荷的累積和分離。鈣鈦礦Cs₂InCl₅(H₂O)納米晶的-OH基團與PVDF-HFP鏈的-F基團之間存在潛在的相互作用，可以作為電活性β相結晶的成核位點。電場作用下，納米晶體和PVDF-HFP中的O-H鍵和-F基團易發生極化，沿固定方向帶不同電荷。由于靜電吸引和偶極相互作用，帶相反電荷的基團形成了穩定的定向O-H^…F氫鍵網絡。相互作用的O-H^…F氫鍵網絡通過電荷轉移從針孔中出現形成核，而不相互作用的PVDF-HFP由于其表面能低，具有競爭遷移的優勢，從而發生相分離并遷移到納米纖維表面形成連續的殼層（CIC@HFP NFs）。此外，靜電紡絲過程中恒定的拉伸力使PVDF-HFP鏈單軸拉伸，原位形成有序的OH-CF₂偶極子，誘導了由隨機取向的非極性α相向極性β相轉變。PVDF-HFP作為負極的這種電活性結構可以提高TENGs的性能。作為潛在的演示，他們使用CIC@HFP NFs作為負極材料制作了高性能TENG，可以實現各種人體運動的能量收集和生理監測，在摩擦電生物力學能量收集和自供電傳感方面顯示出巨大的潛力。

核殼結構CIC@HFP NFs的原理圖及其應用。

由于鈣鈦礦Cs₂InCl₅(H₂O)納米晶的-OH基團與PVDF-HFP鏈的-F基團之間的相互作用，作為成核位點提升了PVDF-HFP納米纖維的電活性相含量以及機械強度（14.2 MPa）。多孔纖維網絡結構賦予了纖維膜優異的水蒸氣透過率。此外，相比于傳統的鉛基鈣鈦礦復合材料，非鉛鈣鈦礦制備的CIC@HFP NFs具有良好的生物相容性。

CIC@HFP NFs的材料特性。

分子動力學證明在電場下，Cs₂InCl₅(H₂O)納米晶與PVDF-HFP聚合物鏈具有增強的相互作用。這主要是由于納米晶體中的H原子在電場作用下會定向并傾向于攜帶正電荷，從而與PVDF-HFP鏈中帶負電荷的-CF₂基團通過氫鍵和偶極子相互作用產生強烈的分子間相互作用。同時在在電場作用下軸向偶極子和極化大大增強。

Cs₂InCl₅(H₂O)納米晶與PVDF-HFP鏈相互作用的分子動力學模擬。

通過材料結構表征和分子動力學模擬，表明靜電紡絲過程中恒定的拉伸力使PVDF-HFP鏈發生單軸拉伸，氫鍵和偶極子相互作用原位形成有序的OH-CF₂偶極子，促進了核殼結構和極化相的生長。并且，在電場作用下穩定形成的O-H^…F取向氫鍵網絡首先通過電荷轉移從針孔中出來形成核，而PVDF-HFP由于表面能低，遷移到納米纖維表面形成連續的殼層。

紡絲過程以及核殼結構生成示意圖。

使用CIC@HFP NFs制備的TENG表現出提升的輸出電壓(681 V)、輸出電流(53.1 μ A)和峰值功率密度(6.94 W m^-2)。通過人體運動能量收集進一步證實了其機械能收集和自供電監測性能，展示了其為商用電容器充電以及為商業LEDs，秒表和計算器等電子產品的有效供電，表現出在生物力學能量收集和自供電傳感方面的潛在應用前景。

TENG在生物力學能量收集和自供電監測方面的實際應用。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c09935

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（責任編輯：xu）

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