供电系统是现代电子设备重要的组成部分，传统电池存在体积大、柔性差等缺点。而纳米发电机具有微型化、可持续供电和不依赖外部能源等特点，可收集多种能源形式，为微电子和可穿戴设备提供可持续能源。
近日，南通大学李大伟教授和张伟教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Electrospun PAN/BaTiO3/MXene nanofibrous membrane with significantly improved piezoelectric property for self-powered wearable sensor”。南通大学为第一署名单位，论文第一作者为纺织服装学院教师付译鋆副教授，通讯作者为李大伟教授、张伟教授。研究者通过静电纺丝技术，制备出具有高压电性能和光热转换效率的PAN/BaTiO3/MXene纳米纤维膜。与镍-铜导电织物搭建出具有更高电学性能的压电-摩擦电混合纳米发电机。
图1：PAN/BaTiO3/MXene纳米纤维膜的制备流程和混合纳米发电机的搭建示意图。
本文通过加入钛酸钡提高PAN纤维膜的压电输出性能的基础上，适当加入MXene进一步提高PAN纤维膜的压电输出性能，可以进一步提高后期搭建的摩擦电纳米发电机的输出性能。另外，MXene的加入使得纤维膜拥有优良的光热性能，可以应用于人体光热治疗。
图2：PAN纳米纤维膜的材料表征
通过静电纺丝技术制备的PAN/BaTiO3/MXene纳米纤维膜。SEM图像显示在PAN膜的产品中观察到平滑和交错的网状结构，纤维直径随着钛酸钡的加入增大，又随着MXene的加入变小，证明了钛酸钡和MXene的成功加入。
图3：PAN/BaTiO3/MXene纳米纤维膜的压电性能。
PAN纳米纤维膜随着钛酸钡和MXene的依次加入，其压电性能逐渐提高。PAN/BaTiO3/MXene纳米纤维膜封装成压电纳米发电机展现出良好的稳定性能以及传感性能。在3000次持续循环撞击后仍然显现出稳定的电压输出信号，表现出优异的抗疲劳性和压电输出稳定性；在对人体运动监测应用中，PAN/BaTiO3/MXene纳米纤维膜制备成的压电纳米发电机的输出电信号曲线与人体运动状态规律一致，展现出优秀的传感性能，在人体运动监测应用领域具有很大的潜能。
图4：压电-摩擦电混合纳米发电机的电输出性能
通过对压电-摩擦电混合纳米发电机的一系列电学性能测试，展现出其高输出性能、高稳定性、高灵敏度等。压电-摩擦电混合纳米发电机的输出性能明显有着比单一压电纳米发电机更高的电输出性能，输出电压和电流分别提升至11.3 V和300 nA；混合纳米发电机经过3000次的接触-分离后，仍然保持着稳定的电输出信号，表现出混合纳米发电机的抗疲劳小和高稳定性；不同撞击力度的测试中，压电-摩擦电混合纳米发电机的输出性能产生变化，随着压力的增加，输出性能随之增加，也进一步拟合出压电-摩擦电混合纳米发电机的灵敏度曲线，得出其具有较高的灵敏度。
图5：压电-摩擦电混合纳米发电机的传感和供电应用
通过对压电-摩擦电混合纳米发电机的电容器充电、点亮LED、人体运动监测等应用测试，展现了其在小型供电领域以及传感领域的巨大潜能。快速充电、点亮若干个LED都表明了其优异的电输出性能；在人体运动监测应用中，压电-摩擦电混合纳米发电机的输出电信号曲线与人体运动状态规律一致，展现出优异的传感性能，也进一步验证了其具有较高的灵敏度。
图6：PAN/BaTiO3/MXene纳米纤维膜的光热性能。
在近红外光（808nm）照射下，PAN/BaTiO3/MXene纳米纤维膜展现出较好的光热转换性能以及稳定性；在选择人体皮肤所能接受温度所对应的近红外光的功率（0.8 W/cm2）后，对人体腕关节进行光热治疗，温度上升至54 ℃后，可以缓解人体关节的疼痛感。
论文链接：https://authors.elsevier.com/c/1izZa4x7R2kCs2
李大伟，南通大学纺织服装学院教授，硕士生导师，入选江苏省第六期“333工程”第三层次培养对象，致力于智能可穿戴材料的设计与制备、生物传感纤维材料的研究、纳米结构功能纺织材料研究及生物医用纺织材料研究等。先后主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目、江苏省自然科学基金、南通市科技计划项目等科研项目。在Nano Energy、Biosensors & Bioelectronics、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表论文70余篇。参编中英文著作各1部，申请授权发明专利10余件。获中国纺织工业联合会科技进步二等奖、中国商业联合会科技进步二等奖及江苏省科学技术奖三等奖各1项。
