本研究由Tianyi Zhang（武汉纺织大学纺织科学与工程学院）、Bo Yang（武汉纺织大学）、Ming Hao（天津工业大学纺织科学与工程学院）、Xiaodong Hu（天津工业大学）、Yanbo Liu（武汉纺织大学，通讯作者）和Xiaoxiao Wang（武汉纺织大学，通讯作者）合作完成，发表于Journal of Environmental Chemical Engineering（2025年1月接受，DOI: 10.1016/j.jece.2025.115335）。
科学领域：本研究属于柔性电子与功能材料领域，聚焦于压电纳米发电机（PENGs）的开发。随着不可再生能源的消耗，环境机械能（如人体运动、振动）的收集成为研究热点。聚偏氟乙烯（PVDF）因其优异的压电性、柔性和可加工性被广泛研究，但其压电系数（d₃₃）较低，限制了实际应用。
研究动机：
1. 问题：PVDF的β相含量（压电活性相）不足，且传统掺杂（如BaTiO₃）易导致纳米颗粒团聚和界面相容性差。
2. 创新点：通过多巴胺盐酸盐（PDA）修饰BaTiO₃（PDA@BTO，简称PBTO）改善分散性，并引入导电碳黑（CB）促进电荷传输，协同提升PVDF的压电性能。
研究目标：开发一种高输出、稳定的柔性PENGs，用于自供电可穿戴设备和传感器。
PBTO合成：
- 步骤：将BaTiO₃纳米颗粒（<99 nm）分散于Tris-HCl缓冲液（pH=8.5），加入PDA搅拌24小时，离心洗涤后60℃干燥。
- 关键创新：PDA涂层通过C-O和C=C键（FTIR验证）增强BTO与PVDF的界面相互作用。
复合纳米纤维膜制备：
- 电纺参数：PVDF（分子量120万）溶解于DMF（12 wt%），加入PBTO（1-9 wt%）和CB（0.5-2.5 wt%），电压20 kV，纺丝距离15 cm。
- 正交实验优化：通过电压（22-30 kV）、进料速度（1-2 mL/h）、距离（16-22 cm）筛选最佳条件（26 kV, 1.5 mL/h, 22 cm），获得直径424.1 nm、均匀性（CV=16.4%）的纤维。
形貌与结构分析：
- SEM：PBTO含量>3%时出现表面粗糙（纳米颗粒团聚）；CB掺杂（1%）使纤维直径增至465.58 nm（CV=26.5%）。
- FTIR与XRD：PBTO（3%）使PVDF的β相含量达88.05%（α相特征峰763 cm⁻¹消失，β相840 cm⁻¹增强）；CB过量（2.5%）会降低β相至68.39%。
热稳定性与力学性能：
- TGA：PBTO/PVDF初始分解温度402.2°C（纯PVDF为391.4°C），残炭率31.5%（800°C）。
- 拉伸测试：5% PBTO时拉伸强度最佳（0.49 MPa），但CB掺杂降低强度至0.37 MPa（因CB分散不均）。
器件结构：铜电极（3×3 cm）+ PVDF膜（3.5×3.5 cm, 50 μm）+ PVC基底。
输出性能：
- 最优参数：3% PBTO/1% CB时，开路电压（Voc）=55 V，短路电流（Isc）=3.1 μA（比纯PVDF提高250%）。
- 压力敏感性：1.04 V/N（5-30 N），50 N时Voc达57 V。
- 频率响应：7 Hz时Voc=51 V，Isc=3.7 μA。
- 耐久性：900次循环后性能稳定，d₃₃=1.7 pC/N。
应用验证：
- 能量收集：400秒内充满1 μF电容至10 V，驱动20个LED。
- 传感器：检测脚步（8 V）和手臂弯曲（7 V）信号。
科学价值：
- 提出PBTO/CB协同掺杂策略，解决了PVDF基材料β相含量低和电荷传输效率差的难题。
- 揭示了CB掺杂量与压电性能的非线性关系（阈值1%），为类似复合材料设计提供参考。
应用价值：
- 柔性PENGs可集成至可穿戴设备，实现自供电传感（如健康监测）。
- 快速响应（0.1 s）和高稳定性（900次循环）满足实际场景需求。
（注：全文数据均来自原文图表及补充材料，实验细节可参考DOI链接。）