成果简介
以多功能压电复合材料为核心的柔性杂化纳米发电机（FHNG）可同时收集环境中的废弃机械能和热能，有望取代化学电池，实现可穿戴电子设备的长期自供电。然而，大多数报道的填充低维铁电粒子的压电复合材料压电荷系数低，导热性能差，不利于提高混合发电功率。本文，北京工业大学 侯育冬 教授团队在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Flexible Hybridized Nanogenerators Based on a Reduced Graphene Oxide Nanosheet-Decorated Piezoceramic Skeleton to Impact Mechanical and Thermal Energy Harvesting”的论文，研究提出了一种有效的设计策略，即采用还原氧化石墨烯（rGO）纳米片修饰三维（3-D）钐掺杂 Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3（Sm-PMN-PT）压电陶瓷骨架来构建基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的高性能 FHNG。
一方面，具有高导电性的 rGO 纳米片可以形成内部电场网络，帮助压电陶瓷骨架实现人工极化，从而增强压电特性。另一方面，具有高导热性的 rGO 纳米片可以形成热传导网络，从而提高温度随时间的变化率，改善热释电特性。得益于 rGO 纳米片的耦合增强效应，Sm-PMN-PT/PDMS/rGO 压电复合材料实现了高效的并发机械能采集（约0.53 V）和热能采集（约0.151 V），在混合激励下 FHNG 的总输出电压高达 0.705 V，为高性能 FHNG 材料的开发提供了一个前景广阔的范例。
图文导读
图 1.rGO组合压电陶瓷骨架设计策略示意图，用于构建具有混合发电能力的Sm-PMN-PT/PDMS/rGO压电复合材料。
图3.（a） Sm-PMN-PT三维陶瓷骨架的光学图像;（b）弯曲的Sm-PMN-PT/PDMS/rGO复合材料表现出良好的柔韧性
图4.（a） Sm-PMN-PT/PDMS/rGO复合材料水平剖面示意图;样品的SEM图像：（b，c）水平截面;（d） Sm-PMN-PT/PDMS/rGO复合材料垂直剖面示意图;样品的SEM图像：（e，f）垂直截面。
图5.不同rGO含量的Sm-PMN-PT/PDMS/rGO复合材料的电学性能
图6.（a） Sm-PMN-PT/PDMS/rGO复合材料在无外界条件下人工极化后的示意图。不同条件下的工作机理：（b）压放模式下的压电效应，（c）加热-冷却模式下的热释电效应，（d）压缩加热和释放冷却模式下的压电-热释电耦合效应
小结
综上所述，本文呢通过将rGO纳米片引入具有Sm-PMN-PT压电陶瓷骨架的PDMS基复合材料中，同时实现了机械能和热能的高效清除。rGO纳米片具有优异的导电性和导热性。rGO纳米片形成的内置电场可以辅助人工极化，实现高压电荷常数的获取。同时，rGO纳米片构建的传热网络可以提高体系的温度变化率，从而获得较高的热释电电流。Sm-PMN-PT/PDMS/rGO FHNG的总输出电压高达0.705 V，大约等于单压力（约0.53 V）和热梯度（约0.151 V）条件下产生的信号之和。总之，这项工作不仅获得了一种基于PDMS的高性能FHNG复合材料，更重要的是，所提出的rGO修饰的3-D压电陶瓷骨架的设计策略有望扩展到开发更多用于可穿戴电子产品的多功能复合材料。
文献:https://doi.org/10.1021/acsanm.3c05070
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