中科院纳米能源所李琳琳&王中林团队《Chem. Eng. J.》：具有有机-无机同轴结构的柔性压电纳米纤维用于自供能生理传感

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近年来，基于压电纳米发电机（PENG）的柔性可穿戴电子器件在能量收集、自驱动生物传感领域展现出广阔的应用前景。目前，提高PENG的压电性能和灵敏度是推进其在物联网和人工智能中应用最迫切需要解决的问题。要获得兼具柔性、高压电性、高性能的TENG是该领域的最大挑战之一。将具有高压电性的无机压电材料填充到具有柔性的有机压电材料中得到有机-无机复合结构，是解决这一难题的方法。然而，无机填料和有机介质间巨大的模量差距和弱界面融合是限制其器件性能进一步提升的主要原因。如果解决这一问题，构建性能优异的柔性压电薄膜成为提高PENG压电转换效率的关键。

来自中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员与王中林院士团队，将高长径比的一维钛酸钡纳米线（BTNW）作为压力响应单元引入柔性聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF-TrFE））静电纺丝纤维薄膜中，形成同轴核壳结构纳米纤维。为了增强有机-无机两相界面相互耦合作用以提高纳米纤维的压电转换能力和力学性能，在BTNW表面均匀涂覆聚多巴胺（PDA）纳米层。实验和模拟分析结果证明，PDA层能够通过强化一维纳米线在有机介质中的均匀分散和应力传导过程，导致压电输出性能和灵敏度的增加。由此获得的可穿戴PENG传感器的输出电压和电流可达18.2 V和1.8 µA。响应时间也缩短至20.4 ms。该传感器能够从生命活动中获取生物力学能量，检测人体各个部位的运动，手指识别和声音辨别，在个人健康管理、远程人机交互等领域有广阔的应用前景。

图1：同轴结构高柔性压电纳米纤维薄膜及其用于自供能生理传感示意图。

图2：压电复合电纺纤维膜P（VDF-TrFE）/pBTNW的理化性质表征。（a-g）纤维薄膜表面和内部微观形貌图，表明其径向轴向分布的同轴结构；（h-j）为电纺纤维膜P（VDF-TrFE）/pBTNW的X射线衍射图谱和拉曼光谱，表明7%掺杂样品的结晶性良好，同时压电相β-相含量达到最大。对照组为常规掺杂钛酸钡纳米颗粒的压电纤维薄膜。

图3：压电复合电纺纤维膜P（VDF-TrFE）/pBTNW的压电响应性表征。（a-f）为P（VDF-TrFE）/pBTNW-7电纺薄膜的压电响应性测试和铁电极化性质表征；（g-h）为界面有无PDA层的压电纤维薄膜的有限元模拟分析，表明了界面处强化的应力应变传导过程和增强的压电响应能力。

图4：压电复合薄膜的传感性能。（a-e）用于人体各项关节在不同频率和角度下运动的自供电多模态传感，（f-g）手指识别和（h-j）语音辨认。

近日，该研究成果以“Flexible and highly piezoelectric nanofibers with organic-inorganic coaxial structure for self-powered physiological multimodal sensing”为题发表在学术期刊《Chemical Engineering Journal》上。文章的第一作者是中科院北京纳米能源所的博士生万钘怡，通讯作者为李琳琳研究员和王中林院士。

论文链接： 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722045569

李琳琳课题组主页：

http://www.x-mol.com/.groups/lilinlin

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