1、研究背景：

伴随着世界经济的高速发展，人类社会对于能源供给需求越来越大，煤炭、石油、天然气、核能等非再生的传统能源由于对环境带来严重污染已经不能适应时代的发展需求，因此探究清洁的、可再生的新能源是当前迫切需要解决的问题。环境中的机械能由于分布广泛、表现形式多样和容易转换等优点，是最理想的替代能源之一。压电纳米发电机是一种利用压电效应实现机械能-电能的转换器件，可以将环境中各类形式的机械能转换成电能，具有结构简单、体积小和受外界环境影响小的优点，可以为可植入式医疗设备、传感系统、可穿戴电子器件和便携式设备等微电子器件的运行供电，从而突破传统电池供电所带来的尺寸大、使用寿命短、安全性差等问题限制。最近，新兴的卤化物钙钛矿(APbX3，A为有机基团或无机离子，X为Cl，Br或I)由于具有优秀的光电性能而被广泛的应用在光电器件中如太阳能电池和光电探测器。其具有典型的钙钛矿结构，结构上类似于锆钛酸铅(PZT)等压电陶瓷，应该也具备优秀的压电性能，然而目前对其压电性能的研究还非常的有限。同时卤化铅钙钛矿固有的离子特性使卤化钙钛矿对热，水和酸碱非常敏感，较差的稳定性极大地限制了其实际应用。

2、文章概述：

近日，北京科技大学侯新梅教授领导的“绿色冶金”研究团队应用基于静电纺丝技术的原位合成法，合成了CsPbBr3纳米晶均匀填充于PVDF纤维中的复合纤维，并基于该纤维构建了平面型的压电纳米发电机。该复合纤维基压电纳米发电机表现出了优异电能输出能力且在热/水/酸碱条件下服役表现出了很强的稳定性。相关论文“Piezoelectric Nanogenerator Based on In Situ Growth All-Inorganic CsPbBr3 Perovskite Nanocrystals in PVDF Fibers with Long-Term Stability”发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202011073)上。

3、图文导读：

图1 CsPbBr3复合PVDF纤维的制备及其压电纳米发电机的构筑和应用

(a) 原位法合成CsPbBr3复合PVDF纤维。(b) 两步法合成CsPbBr3复合PVDF纤维。(c) 压电纳米发电机器件组装方法。(d) 器件截面示意图。(e) 器件截面扫描电镜图。(f) 器件应用示意图。

图2 CsPbBr3复合PVDF纤维的扫描电镜图和透射电镜图

图3 CsPbBr3复合PVDF纤维压电纳米发电机性能优化与稳定性

(a) 复合纤维中PVDF与CsPbBr3比例对性能的影响。(b) 纺丝时间对性能的影响。(c) 极化电压对性能的影响。(d) 复合纤维合成方法对性能的影响。(e) 器件的稳定性。

图 4 CsPbBr3 复合 PVDF 纤维压电纳米发电机在严苛条件下服役性能和应用性能

(a) 器件从室温-220 °C的服役性能。(b) 器件在水中的长期服役性能。(c) 器件在强酸环境中的服役性能。 (d) 器件在强碱环境中的服役性能。(e) 器件的电能输出能力。(f) 器件在步行过程中的输出。

4、结论：

基于静电纺丝技术的原位合成法，合成了CsPbBr3纳米晶均匀填充于PVDF纤维中的复合纤维。通过高稳定性的PVDF将稳定性较差的CsPbBr3纳米晶完全的包裹起来，使其与环境完全隔离，从而达到提高稳定性的目的；同时利用CsPbBr3纳米晶较强的压电性能，提高了复合纤维的压电性能。基于该复合纤维构建的平面型的压电纳米发电机开路电压(Voc)达103 V，短路电流(Isc)的密度达170 μA·cm-2，其中Isc是目前文献报道的卤化物钙钛矿基压电纳米发电机最高值的4.86倍。同时该复合纤维基压电纳米发电机可在220 °C加热1小时后，其输出能力保持其原始值的79.16％，在水中浸泡6个月后，其输出能力保持近100％；在硫酸溶液中浸泡25 h后，其输出能力保持63.53％，浸泡在氢氧化钠溶液中25小时后，超过82.35％。该复合纤维基压电纳米发电机在恶劣的环境（热，湿气，酸和碱）下极好的稳定性大大提高了卤化物钙钛矿基器件的实际应用能力。这项研究表明，CsPbBr3复合PVDF纤维是制造高性能压电纳米发电机的理想选择，有望在机械能量收集和运动传感技术中被广泛的运用。

北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心“绿色冶金”团队基于冶金物理化学理论基础，突破传统冶金、化工、能源、环境和材料等各学科割裂的局限，探究新型材料对钢铁、能源和环境领域的促进作用。梯队的主要研究方向包括：（1）界面反应动力学；（2）高温溶体界润特性研究；（3）新型高温陶瓷材料的开发；（4）冶金过程废水、废液、烟气和固废治理和综合利用；（5）新型光电、力电功能材料的开发与器件构筑等；（6）基于电化学冶金的功能材料多结构调控。目前有教授3人(含国家杰青1人)，副研究员1人，助理研究员1人。团队承担国家及省部级项目20余项，发表SCI论文200余篇，申请专利30余项，获得包括省部级奖项10余项。

侯新梅教授课题组

袁章福教授课题组