中科院纳米能源所朱来攀团队：通过掺杂无机压电SnSe纳米片可进一步提高复合薄膜的压电性能

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新时代能源信息技术的变革开始朝着柔性、便携式、可穿戴/可植入等能源和传感器件方向发展，其中压电纳米发电机（PENG）因其具有优异的机电转换和环境适应性，良好的环境稳定性（耐温湿度、耐腐蚀），易于集成化等优点，逐渐在环境能源收集和自驱动传感方面显示出良好的应用潜力。传统的无机钙钛矿压电材料虽然压电系数较高，但其合成工艺复杂、需高温制备且不具备柔性。而传统聚合物PVDF及其衍生物压电材料具有易制备、高柔性、低密度等优点，但其压电系数相对无机压电材料通常较低。因此，从分子层面将无机和有机压电材料结合在一起，发挥各自的优势，制备出高柔性、轻质量且压电性能良好的复合压电纳米发电机是当前研究的热点。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所朱来攀副研究员团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了题为“Enhanced Flexible Poly(vinylidene fluoride-trifluorethylene) Piezoelectric Nanogenerators by SnSe Nanosheet Doping and Solvent Treatment”的文章。在已经报道的工作中制备P(VDF-TrFE)薄膜所用的溶剂大多使用单一溶剂，比如DMF或DMAc，相比于单一溶剂，研究人员发现经过混合溶剂的处理可以有效地提升P(VDF-TrFE)薄膜中压电β晶型的含量。在此基础上，通过掺杂无机压电SnSe纳米片，可以进一步提高复合薄膜的压电性能，这归因于：1）SnSe纳米片本身具有很高的压电系数；2）SnSe纳米片可以充当晶核，有效提高了P(VDF-TrFE)高分子的结晶；3）纳米片的掺杂可以有效提高有机薄膜的介电常数；4）纳米片的掺杂可增大聚合物杨氏模量，提高局域应力下domain的迁移率。

图1 由P(VDF-TrFE)/SnSe纳米复合物薄膜组成的PENG的制备和表征。

图2 混合溶剂提高压电β晶型的机理和测试图。

图3 掺杂不同质量分数的SnSe纳米片对P(VDF-TrFE)薄膜β晶型和介电性能的影响。

图4 P(VDF-TrFE)/SnSe纳米复合薄膜PENG的电学输出性能。

 最终，通过DMF和TCE混合有机溶剂处理的P(VDF-TrFE)薄膜压电系数高达25.06 pC^.N^-1，PENG的开路电压和短路电流分别为15.36 V·cm^-2和 1.02 μA·cm^-2，并且当外接电阻为6 MΩ时，能够获得最大的功率密度为10.72 μW·cm^-2。该压电纳米发电机可以对电容充电驱动商用电子器件，显示其在电子设备供电方面的潜在应用。

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c08347

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