ACS AMI┃基于PVDF镂空管状纳米纤维的压电-摩擦电混合声能收集器件

英文原题：Nanoporous PVDF Hollow Fiber Employed Piezo–Tribo Nanogenerator for Effective Acoustic Harvesting

通讯作者：王云明，华中科技大学

作者：Zhaohan Yu, Ming Chen, Yunming Wang, Jiaqi Zheng, Yongkang Zhang, Huamin Zhou, and Dequn Li

作为一种广泛存在于环境中的清洁可再生能源，声能是当今蓬勃发展柔性智能电子器件的理想能量来源。然而，由于声波在空气中传播时会向四面八方扩散，声能捕获的功率密度低，传统基于压电或摩擦电的声能收集器件难以高效地捕获声能来为微型电子设备供电。因此，业界迫切需要一种策略以制造出性能优良、结构稳定、灵活的声电转换设备，实现高效、持续的声能收集。

近日，华中科技大学王云明团队在ACS Applied Materials & Interfaces 发表论文，报道了一种基于镂空管状纳米纤维的高效声能收集器件（PHVAH），利用纳米多孔聚偏二氟乙烯 (PVDF) 中空纤维和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 鼓膜结构，实现对声能的高效采集。通过同轴静电纺丝制备的纳米多孔 PVDF 中空纤维膜具有高孔隙率和高β含量，可作为压电功能部分以及 PDMS 鼓膜的支架；在镂空结构中引入的超薄PDMS鼓膜能在微弱的声波刺激下产生巨大的振动，从而产生额外的摩擦电输出。如图1所示，压电和摩擦电的有效结合赋予了基于纳米多孔和鼓膜结构的PHVAH采集、识别和恢复音频信号的能力。

图1. 基于镂空管状纳米纤维的高效声能收集器件（PHVAH）

如图2所示，通过调整壳层、核层、填充材料的浓度以及厚度，研究结构对于声能收集器件性能的影响，验证镂空及鼓膜结构用于声能采集的可行性。在不同频率、声压、距离的音频信号刺激下，该PHVAH表现出优异的电输出性能，具有宽频响应、灵敏度高的特点，在检测噪音、探测设备等方面有着良好的应用前景。

图2. PHVAH的性能研究

PHVAH的工作原理如图3。在声波传播过程中，PDMS/PVDF复合纤维膜两侧的气压差引起膜的弯曲并产生周期性振动，同时膜内部的PDMS鼓膜也会产生振动而与PVDF纤维发生碰撞。由于镂空管状纤维的低杨氏模量，在声波作用下PHVAH能产生相比传统实心纳米纤维更强的振动和变形，从而在表面产生并积累更多电荷，产生更强的压电和摩擦电输出。

图3. PHVAH的工作机理

凭借较高的灵敏度，PHVAH可以高保真的记录声音信号，展示了其在人工耳蜗方面的潜力。其可采集声能直接用于驱动7个串联的“V”形蓝色LED灯泡、2个串联的商用LED灯泡（1 W）和一个商用LED光源板（3 W），表明其能够作为自供电电源为微型电子器件供电（图4）。此外，PHVAH良好的稳定性及耐久性。

图4. PHVAH的应用

视频1 播放音乐时PHVAH的电信号响应

视频2 PHVAH用于点亮7个串联的LED灯泡

这项工作创新地提出一种新型基于压电摩擦电混合纳米发电机的声能收集器件，利用同轴静电纺丝技术获得具有镂空管状纳米纤维结构的PVDF压电薄膜，并向镂空孔隙结构中引入PDMS鼓膜结构，实现声能采集性能的大幅提升。该PHVAH可以无需整流电路直接驱动微电子器件，同时还可以记录声音信号，展现了其在声能收集上的应用价值。

该研究进展发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上。该论文第一作者为博士生余兆函，通讯作者为王云明教授。该工作得到重点研发计划（2018YFB1106702）、国家自然科学基金面上项目（52075196）、中央高校基本科研业务费专项资金（2016YXZD059）资助。

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Nanoporous PVDF Hollow Fiber Employed Piezo–Tribo Nanogenerator for Effective Acoustic Harvesting

Zhaohan Yu, Ming Chen, Yunming Wang*, Jiaqi Zheng, Yongkang Zhang, Huamin Zhou, and Dequn Li

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.1c04489

Publication Date: June 7, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）