随着人工智能和物联网技术的发展，可穿戴电子设备对自供电能源和智能传感的需求不断增长。摩擦纳米发电机（TENGs）能够将环境中的机械能转化为电能，在自供电传感领域具有重要应用潜力。然而，现有摩擦电材料在高温、化学腐蚀等复杂环境下仍面临性能衰减和稳定性不足的问题。因此，开发兼具多环境适应性和高可靠性的多功能摩擦电材料，仍是当前亟待解决的关键挑战。
近日，广西大学王双飞院士团队段青山副教授联合何娟霞博士在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上，发表了最新研究成果“Synergistic Strategy of Oriented Structure and Nanofillers for High-Performance Triboelectric Composites in Harsh Environments”。研究者通过静电纺丝工艺，制备了一种“取向结构与纳米填料协同增强”的摩擦电材料，实现了面向复杂恶劣环境的自供电传感。该材料由于高转速滚筒的机械拉伸和氢键相互作用诱导高电活性β相和高度定向排列纤维的形成，协同提高了PVDF的摩擦电性能和力学性能；并且燃烧时生成的含氟自由基及凝聚相炭层增强了阻燃性能。构建的单电极无线自供电传感器不仅在浸入NaOH、EA和NaCl溶液后仍能输出稳定信号，还能在温度达到200 ℃时立即触发警报，并实时监测消防员的状态。何娟霞博士为论文第一作者，中国地质大学（北京）谢学才副教授、清华大学疏学明副教授和广西大学段青山副教授为通讯作者，刘泽纯、杨李红和廖克璋参与了该项研究。
相较于低转速制备的RP/CMx纤维膜，高转速制备的OP/CMx纤维膜具有更加规整的纤维排列和更小的平均纤维直径。DSC结果表明，取向结构与C-MWCNT的引入能够显著提高PVDF的结晶度。XRD和FTIR分析进一步发现，OP/CM3纤维膜的β相含量明显提高，且FTIR中–CF2基团的位移表明体系中存在氢键作用。此外，OP/CM3纤维膜在DSC结晶度、XRD和FTIR表征中的β相含量提升幅度，均超过OP/CM0和RP/CM3各自提升幅度之和，表明取向结构与C-MWCNT之间存在明显的协同效应。
静电纺丝工艺与C-MWCNT的引入显著提高了PVDF的β相含量和有效摩擦接触面积。同时，PVDF纤维与C-MWCNT形成的轴向取向结构增强了局部电场并促进偶极取向，从而在界面处产生更多诱导电荷，显著提升了摩擦电性能。此外，OP/CM3纤维膜的摩擦电性能提升幅度超过OP/CM0和RP/CM3纤维膜各自提升幅度之和，进一步表明取向结构与C-MWCNT之间存在协同增强作用。
得益于纤维取向结构和氢键作用，OP/CM3纤维膜表现出所有纤维膜中最高的拉伸强度，达到5.73 MPa。同时，C-MWCNT沿取向PVDF纤维平行排列，氢键及其他界面相互作用促进了载荷由PVDF纤维向C-MWCNT的有效传递，从而显著增强了PVDF纤维膜的抗拉强度。此外，OP/CM3纤维膜拉伸强度的提升幅度超过OP/CM0和RP/CM3纤维膜各自提升幅度之和，进一步证明了取向结构与C-MWCNT之间的协同增强效应。
OP/CM3纤维膜能够在1 s内实现自熄，表现出优异的阻燃性能。燃烧过程中，PVDF产生的F·自由基可消耗H·和OH·自由基，C-MWCNT则形成致密碳层，从而抑制燃烧链式反应并阻隔外部热交换。同时，OP/CM3纤维膜的峰值热释放速率和总热释放量均明显降低。此外，燃烧30 s后和在200 ℃高温环境下，OP/CM3-TENG仍分别保持17.29 V和48.52 V的开路电压，表明其能够满足高温环境下火灾预警与救援监测的需求。
在化学、海洋及高温火灾等复杂环境中，通过蓝牙将无线电信号传输至便携式手机的自主传感系统，为救援过程中实时运动监测提供了技术保障。基于单电极OP/CM3-TENG构建的传感器在浸入NaCl溶液后仍能保持稳定的信号传输。此外，该传感器可通过不同电信号实现环境温度识别和实时监测。通过设置电信号报警阈值，当环境温度超过200 ℃时可触发手机报警；即使在燃烧30 s后，传感器仍能够实现人体运动姿势监测，表明其在高温环境下自供电传感应用中具有良好的应用潜力。
综上，本研究提出了一种利用取向结构与C-MWCNT协同增强PVDF摩擦电性能和抗拉强度的策略。所构筑的阻燃TENG在室温、200 ℃及燃烧30 s后的输出电压分别达到105.21、48.52和17.29 V，OP/CM3纤维膜的拉伸强度达到5.73 MPa。基于单电极模式构建的自供电传感器在化学溶液和不同温度环境下仍能够通过无线蓝牙系统稳定输出电信号，并实现人体运动状态监测和高温报警功能。上述结果表明，该体系在多种恶劣环境下具有良好的应用潜力，可为重大危险环境中的实时自供电传感与安全监测提供新的思路。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.6c09595