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香港城市大學(xué)胡金蓮教授團隊《ACS Nano》: 鈣鈦礦納米晶誘導(dǎo)的核殼無機有機納米纖維用于高效能量收集和自供電監(jiān)測
2024-03-26  來源：高分子科技

  新興的可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)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(fā)電機(TENGs)為未來的自供電技術(shù)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(fā)電機的電活性材料，但PVDF聚合物的結(jié)晶度較低，極化較弱等導(dǎo)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(xué)胡金蓮教授團隊基于非鉛鈣鈦礦納米晶制備了核殼結(jié)構(gòu)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(dǎo)劑，PVDF-HFP納米纖維在單軸方向上呈現(xiàn)出β相增強和自對準的納米晶體。基于復(fù)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(xiàn)人體運動能量收集和自供電監(jiān)測。相關(guān)成果以“Perovskite Nanocrystals Induced Core–Shell Inorganic–Organic Nanofibers for Efficient Energy Harvesting and Self-Powered Monitoring”為題發(fā)表在《ACS Nano》。


  
  鈣鈦礦具有能量可調(diào)性、高介電常數(shù)和電子遷移率等優(yōu)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(jié)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(fā)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(wěn)定的定向O-H…F氫鍵網(wǎng)絡(luò)。相互作用的O-H…F氫鍵網(wǎng)絡(luò)通過電荷轉(zhuǎn)移從針孔中出現(xiàn)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(yōu)勢，從而發(fā)生相分離并遷移到納米纖維表面形成連續(xù)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(dǎo)了由隨機取向的非極性α相向極性β相轉(zhuǎn)變。PVDF-HFP作為負極的這種電活性結(jié)構(gòu)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(xiàn)各種人體運動的能量收集和生理監(jiān)測，在摩擦電生物力學(xué)能量收集和自供電傳感方面顯示出巨大的潛力。 


核殼結(jié)構(gòu)CIC@HFP NFs的原理圖及其應(yīng)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予了纖維膜優(yōu)異的水蒸氣透過率。此外，相比于傳統(tǒng)的鉛基鈣鈦礦復(fù)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(xué)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(chǎn)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(xué)模擬。


  通過材料結(jié)構(gòu)表征和分子動力學(xué)模擬，表明靜電紡絲過程中恒定的拉伸力使PVDF-HFP鏈發(fā)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(jié)構(gòu)和極化相的生長。并且，在電場作用下穩(wěn)定形成的O-H…F取向氫鍵網(wǎng)絡(luò)首先通過電荷轉(zhuǎn)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(xù)的殼層。 


紡絲過程以及核殼結(jié)構(gòu)生成示意圖。


  使用CIC@HFP NFs制備的TENG表現(xiàn)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(jiān)測性能，展示了其為商用電容器充電以及為商業(yè)LEDs，秒表和計算器等電子產(chǎn)品的有效供電，表現(xiàn)出在生物力學(xué)能量收集和自供電傳感方面的潛在應(yīng)用前景。 


TENG在生物力學(xué)能量收集和自供電監(jiān)測方面的實際應(yīng)用。


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

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（責(zé)任編輯：xu）
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