香港城市大学胡金莲教授团队《ACS Nano》: 钙钛矿纳米晶诱导的核壳无机有机纳米纤维用于高效能量收集和自供电监测

2024-03-26 来源：高分子科技

新兴的可穿戴电子产品领域需要灵活、轻便、高容量、耐用、舒适的日常使用电源，摩擦电纳米发电机(TENGs)为未来的自供电技术提供了一个很有前途的解决方案。摩擦电极的输出性能受摩擦材料的固有特性影响很大，有机聚偏氟乙烯(PVDF)和共聚物如聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVDF-HFP)被认为是潜在的可穿戴纳米发电机的电活性材料，但PVDF聚合物的结晶度较低，极化较弱等导致其摩擦电性能较差。因此，提高PVDF活性相以及极化有利于提升PVDF的表面电荷密度以及TENGs的整体性能。

近日，香港城市大学胡金莲教授团队基于非铅钙钛矿纳米晶制备了核壳结构的无机有机纳米纤维摩擦电材料。以非铅钙钛矿Cs₂InCl₅(H₂O)为诱导剂，PVDF-HFP纳米纤维在单轴方向上呈现出β相增强和自对准的纳米晶体。基于复合纳米纤维的TENG在输出电压(681 V)、输出电流(53.1 μ A)和峰值功率密度(6.94 W m^-2)方面均有显著改善，可以实现人体运动能量收集和自供电监测。相关成果以“Perovskite Nanocrystals Induced Core–Shell Inorganic–Organic Nanofibers for Efficient Energy Harvesting and Self-Powered Monitoring”为题发表在《ACS Nano》。

钙钛矿具有能量可调性、高介电常数和电子迁移率等优点，可以促进电荷的累积和分离。钙钛矿Cs₂InCl₅(H₂O)纳米晶的-OH基团与PVDF-HFP链的-F基团之间存在潜在的相互作用，可以作为电活性β相结晶的成核位点。电场作用下，纳米晶体和PVDF-HFP中的O-H键和-F基团易发生极化，沿固定方向带不同电荷。由于静电吸引和偶极相互作用，带相反电荷的基团形成了稳定的定向O-H^…F氢键网络。相互作用的O-H^…F氢键网络通过电荷转移从针孔中出现形成核，而不相互作用的PVDF-HFP由于其表面能低，具有竞争迁移的优势，从而发生相分离并迁移到纳米纤维表面形成连续的壳层（CIC@HFP NFs）。此外，静电纺丝过程中恒定的拉伸力使PVDF-HFP链单轴拉伸，原位形成有序的OH-CF₂偶极子，诱导了由随机取向的非极性α相向极性β相转变。PVDF-HFP作为负极的这种电活性结构可以提高TENGs的性能。作为潜在的演示，他们使用CIC@HFP NFs作为负极材料制作了高性能TENG，可以实现各种人体运动的能量收集和生理监测，在摩擦电生物力学能量收集和自供电传感方面显示出巨大的潜力。

核壳结构CIC@HFP NFs的原理图及其应用。

由于钙钛矿Cs₂InCl₅(H₂O)纳米晶的-OH基团与PVDF-HFP链的-F基团之间的相互作用，作为成核位点提升了PVDF-HFP纳米纤维的电活性相含量以及机械强度（14.2 MPa）。多孔纤维网络结构赋予了纤维膜优异的水蒸气透过率。此外，相比于传统的铅基钙钛矿复合材料，非铅钙钛矿制备的CIC@HFP NFs具有良好的生物相容性。

CIC@HFP NFs的材料特性。

分子动力学证明在电场下，Cs₂InCl₅(H₂O)纳米晶与PVDF-HFP聚合物链具有增强的相互作用。这主要是由于纳米晶体中的H原子在电场作用下会定向并倾向于携带正电荷，从而与PVDF-HFP链中带负电荷的-CF₂基团通过氢键和偶极子相互作用产生强烈的分子间相互作用。同时在在电场作用下轴向偶极子和极化大大增强。

Cs₂InCl₅(H₂O)纳米晶与PVDF-HFP链相互作用的分子动力学模拟。

通过材料结构表征和分子动力学模拟，表明静电纺丝过程中恒定的拉伸力使PVDF-HFP链发生单轴拉伸，氢键和偶极子相互作用原位形成有序的OH-CF₂偶极子，促进了核壳结构和极化相的生长。并且，在电场作用下稳定形成的O-H^…F取向氢键网络首先通过电荷转移从针孔中出来形成核，而PVDF-HFP由于表面能低，迁移到纳米纤维表面形成连续的壳层。

纺丝过程以及核壳结构生成示意图。

使用CIC@HFP NFs制备的TENG表现出提升的输出电压(681 V)、输出电流(53.1 μ A)和峰值功率密度(6.94 W m^-2)。通过人体运动能量收集进一步证实了其机械能收集和自供电监测性能，展示了其为商用电容器充电以及为商业LEDs，秒表和计算器等电子产品的有效供电，表现出在生物力学能量收集和自供电传感方面的潜在应用前景。

TENG在生物力学能量收集和自供电监测方面的实际应用。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c09935

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻