摩擦电纳米发电机（TENG）能将外部环境中的机械能转化为电能，为解决各种便携式电子设备的供能需求提供了可行方案，但如何进一步增强TENG的摩擦电输出性能仍是面临诸多挑战。在聚合物基体中引入高介电常数（高κ）介电质可提升复合物介电常数，从而提高材料表面电荷密度，是制备高电荷密度摩擦电材料的有效方法。

近日，河南大学未来技术学院(光伏材料省重点实验室)王新教授团队在期刊《Nano Energy》上，发表了最新研究成果“Boosting output performance of triboelectric nanogenerator based on BaTiO3:La embedded nanofiber membrane for energy harvesting and wireless power transmission”。作者首先通过水热法将稀土元素镧（La）掺杂入钛酸钡(BaTiO3)中，合成了高κ掺镧钛酸钡（BaTiO3:La）纳米颗粒，其相比纯BaTiO3拥有更高的介电常数。再利用静电纺丝工艺将BaTiO3:La嵌入PVDF-TrFE纳米纤维中，制备出高介电常数、高电负性的纳米纤维复合膜BLPT-NM，并将其作为负摩擦材料制备了高性能的摩擦纳米发电机（TENG）。

单电极模式TENG(3×3 cm2)展示出优异的输出性能，其输出电压可达245 V，最大瞬时功率密度2.52 W m−2，摩擦电荷密度87.3 μC m−2，分别是基于纯PVDF-TrFE纳米纤维膜的TENG的3倍、11倍和3倍。同时，与纯PVDF-TrFE (10 kHz时εr=12)相比，BaTiO3:La的加入使BLPT-NM的介电常数(10 kHz时εr=38.8)得到显著提高，通过提高输出电荷密度实现了TENG的输出增强。

此外，利用基于BLPT-NM的TENG不仅可以收集生物机械能，而且产生的麦克斯韦位移电流可成功实现无线能量传输，无线电压电流信号可以在多种介质中传输，并被一定距离外的金属天线所感应。在此基础上构建了基于TENG的无限能量传输系统，利用无线接收的电压信号，能够实时触发一些电子设备的运行。因此，该工作为增强TENG的输出性能提供了有效方法，并为进一步发展新型无线能量传输技术提供了新的策略。

图1：BaTiO₃:La纳米颗粒和BLPT-NM纳米纤维膜的表征。(a)静电纺丝工艺。BaTiO₃:La的(b) SEM图，(c) XRD图， (d)拉曼光谱，(e) XPS谱图。BLPT-NM的(f)SEM图，(g)TEM图，(h) FTIR谱图。

通过静电纺丝将BaTiO3:La纳米颗粒嵌入PVDF-TrFE中（图1a），水热法合成的BaTiO3:La颗粒平均粒径100 nm（图1b）以及四方晶相结构（图1c）。BLPT-NM由无珠状纤维构成，表面光滑且无纳米粒子堆积（图1f），BaTiO3:La颗粒可以完整地嵌入纳米纤维中形成突起的泡状小囊（图1g）。

图2. TENG输出增强机理研究。(a)不同样品的表面电势。(b) 重叠电子云模型。(c) TENG等效电容模型。(d)介电常数随频率的变化。(e)不同样品介电常数(10 kHz)。(f)介电损耗随频率的变化。

高κ介电质BaTiO3:La有效提高了PVDF-TrFE的表面电势（图2a-）和复合膜的介电性能（图2d-f），导致更多的电荷在接触起电时参与转移。

总结

本工作通过静电纺丝法将水热合成的BaTiO3:La纳米颗粒嵌入PVDF-TrFE纳米纤维中，形成高介电常数BLPT-NM纳米纤维复合膜，从而显著提高TENG的输出性能，用于生物机械能收集和无线能量传输。BaTiO3:La的掺入显著提高了BLPT-NM的介电常数，制备的单电极模式TENG具有优异的输出性能，不仅可以收集环境中的生物机械能并转化为电能，还可以通过TENG产生的麦克斯韦位移电流在各种介质中实现无线传输电信号。并在此基础上构建了无线能量传输系统，利用无线传输接收到的电压信号作为触发信号为一些电子设备实时供电。因此，该研究策略在生物机械能收集和无线能量传输领域展现了广阔的应用前景。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108385