ACS nano：摩擦納米發電機首次驅動靜電紡絲系統制造納米纖維

【背景介紹】

靜電紡絲是一種特殊的纖維制備技術，其利用高壓靜電場對高分子溶液的擊穿作用來制備微納米纖維。靜電紡絲過程中需要幾千伏甚至幾十千伏的高壓，所需電流小，僅為幾個微安。傳統的靜電紡絲電源大都依賴于電力系統并需要一套繁重的升壓電路，大大限制了靜電紡絲的應用場景。實現靜電紡絲的自供能化具有重要的意義。

摩擦納米發電機（TENG）能夠將環境中各種形式的機械能轉化為電能，其輸出具有電壓大電流小的特點。研究中常利用降壓電路對TENG的輸出進行管理之后再實現其應用。如何更好的結合TENG自身的輸出特點，實現其更廣范圍的應用，是摩擦納米發電機研究領域的一個重要課題。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所李從舉研究員同王中林院士及中科院化學研究所王春儒研究員合作，共同開發出無需外接電源的、TENG驅動的靜電紡絲系統。該自供能靜電紡絲系統由轉盤式TENG、倍壓整流電路、簡易的紡絲針頭組成。轉盤式TENG的開路電壓為1400V，遠達不到靜電紡絲的需求。博士生殷營營和博士后周桃等研究人員設計了由二極管和電容按照一定規則排布組成的倍壓整流電路，能夠將TENG輸出的交流電倍壓整流成恒定的高壓電。在優化的電路參數下，以TENG作為電源的倍壓整流電路能輸出8kV的恒定高壓。此高壓在靜電紡絲過程中能夠驅動持續泰勒錐的產生。該團隊利用此自供能的靜電紡絲系統，制備了多種聚合物納米纖維，例如PET、PA6、PAN、PVDF和TPU，這些纖維直徑分布均勻，表面光滑，與利用商業紡絲機制備的纖維形貌相當。研究成果發表在近期的ACS nano（DOI: 10.1021/acsnano.7b05626）上。

【圖文導讀】

圖1 摩擦納米發電機驅動的靜電紡絲系統原理圖（a）及制備的PA6納米纖維圖(b)

?圖2 倍壓整流電路的工作原理及其在TENG驅動下的輸出特性

（a）TENG在一個周期內輸出的短路電流；（b）倍壓整流電路圖；（c）不同理論放大倍數下倍壓整流電路的輸出；（d）不同電容下倍壓整流電路的輸出

圖3 摩擦納米發電機驅動的靜電紡絲系統實物圖與紡絲狀態圖

（a）摩擦納米發電機驅動的靜電紡絲系統實物圖； TENG旋轉前后的紡絲針頭：（b）前；（c）后

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