旋涂法制备的尼龙/MWCNT纳米复合摩擦纳米发电机中MWCNT浓度对其性能的影响

　　本文报道了采用旋涂法（spin coating）制备并优化基于尼龙/多壁碳纳米管（MWCNT）纳米复合材料的摩擦纳米发电机（TENGs）。通过精细调控MWCNT浓度，该器件在尼龙表面负载0.05 wt% MWCNT时实现了电输出的显著增强，开路电压和短路电流分

　　本文报道了采用旋涂法（spin coating）制备并优化基于尼龙/多壁碳纳米管（MWCNT）纳米复合材料的摩擦纳米发电机（TENGs）。通过精细调控MWCNT浓度，该器件在尼龙表面负载0.05 wt% MWCNT时实现了电输出的显著增强，开路电压和短路电流分别达到峰值29.7 V和3.0 μA。相应的功率密度约为13.9 mW/m

　　，相比纯尼龙基TENG有显著提升。性能增强归因于分散良好的MWCNT在尼龙表面改善了电荷捕获和介电性能，而过量负载导致团聚，降低了效率。这种轻质、柔性的纳米复合TENG为可穿戴电子设备和自供电传感器系统中的高效、可持续能量收集提供了一种有前景的解决方案，凸显了其在实际能源应用中的潜力。

　　随着可再生能源需求的日益增长，摩擦纳米发电机（TENG）因其成本低、结构简单且能将机械能转化为电能而受到广泛关注。然而，基于废弃天然材料（如咖啡粉、香蕉叶）的TENG常存在表面性质不稳定、机械耐久性差和电输出有限等问题。合成聚合物纳米复合材料，尤其是以多壁碳纳米管（MWCNT）增强的尼龙基体，展现出更好的机械强度、可控表面形貌和优异介电性能，从而有助于提高和稳定摩擦电输出。但MWCNT在高含量下易因范德华力团聚，且添加表面活性剂或分散剂可能改变其物理结构或导电性；同时，增强柔性与保持纳米填料导电性之间存在权衡。因此，本研究旨在通过旋涂法制备具有优化填料浓度的尼龙/MWCNT纳米复合TENG，从而克服上述局限，实现更高的能量收集能力和机械耐久性。

　　研究人员利用旋涂法在尼龙表面沉积不同浓度（0.01、0.03、0.05、0.1 wt%）的功能化MWCNT，并以聚硅氧烷作为负摩擦电材料，铝箔为电极，构建接触-分离式TENG。通过系统表征和电输出测试，发现MWCNT浓度对器件性能有决定性影响。该研究发表在《Nanoenergy Advances》。

　　主要关键技术方法：MWCNT经硝酸/硫酸混合酸处理进行功能化，以引入羧基等含氧官能团；采用超声分散制备乙醇/MWCNT悬浮液，并通过旋涂法（300 rpm 20 s后1200 rpm 20 s）在尼龙基底上形成均匀薄膜。聚硅氧烷层通过滴铸法固化。材料来源包括商业尼龙袜（90%尼龙）和SouthWest NanoTechnologies的MWCNT。表征手段包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜与能谱（SEM/EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、介电测试（60 Hz–1 MHz）以及Keithley DMM6500数字万用表在2 Hz接触分离频率、29 °C和58%相对湿度下测量输出。

　　3.1 XRD分析：XRD结果确认了复合材料形成。纯尼龙在20.50°和23.00°出现α1和α2峰，对应(100)和(010)晶面。各浓度复合样品均在26.29°出现MWCNT特征峰，44.5°附近峰强随MWCNT含量增加而增强，表明碳纳米管成功掺入尼龙基体。

　　3.2 SEM和EDS分析：SEM显示纯尼龙表面光滑，随着MWCNT浓度增加，尼龙表面沉积物增多，高浓度（0.1 wt%）时形成团聚体并出现薄层覆盖。EDS显示碳原子百分比从纯尼龙的82.91%升至0.1 wt%时的89.26%，表明MWCNT负载量增加，且与尼龙间存在范德华相互作用。

　　3.4 薄膜介电测量：介电常数随MWCNT含量增加而增大，低频下从纯尼龙的1.78升至0.1 wt%的4.75。这归因于界面（Maxwell-Wagner）极化及偶极取向；频率升高时介电常数呈现先降后升再降的趋势，与极化机制有关。

　　3.5 TENG输出参数：TENG工作原理为接触-分离循环。电输出测试表明，0.05 wt% MWCNT时性能最优，开路电压29.7 V，短路电流3.0 μA；纯尼龙分别为17.5 V和1.8 μA。功率密度从纯尼龙的4.9 mW/m2增至0.05 wt%时的13.9 mW/m2，但0.1 wt%时降至7.7 mW/m2。性能提升归因于MWCNT改善介电常数和电荷捕获；过高浓度导致团聚和导电通路，引发电荷泄漏。

　　讨论部分总结：研究结果与文献中渗流阈值概念一致，即MWCNT含量存在最优值，超过后因界面接触减少和泄漏路径增多而性能下降。控制纳米填料分散和负载量对平衡介电增强与材料稳Kaiyun官网登录定性至关重要。虽然未进行磨损测试，但MWCNT的掺入预期可提高机械耐磨性。

　　结论：本研究考察了MWCNT浓度对旋涂法制备的尼龙基TENG介电性能和输出性能的影响，发现MWCNT负载与介电增强、能量转换效率间有明确关联。功能化MWCNT显著提高尼龙基体介电常数，主因是界面极化和偶极取向增强。在0.1 wt%时介电常数最大，但最佳摩擦电性能出现在0.05 wt%，此时开路电压、短路电流和功率密度分别为29.7 V、3.0 μA和13.9 mW/m

　　。更高浓度（0.1 wt%）因纳米颗粒团聚、有效界面接触减少、导电泄漏路径和电荷保留能力降低而导致输出下降。研究验证了电容模型在纳米复合TENG中的适用性，旋涂法能有效制备均匀薄膜。这些结果对设计用于可穿戴电子、低功耗传感和可持续能量收集的下一代TENG具有指导意义。