摩擦纳米发电机首次驱动静电纺丝系统制造纳米纤维！

静电纺丝是一种特殊的纤维制备技术，利用高压静电场对高分子溶液的击穿作用来制备微纳米纤维。静电纺丝过程中往往需要几千伏甚至几十千伏的高压，而所需电流非常小，仅为几个微安。

问题在于：传统的静电纺丝电源大都依赖于电力系统并需要一套繁重的升压电路，大大限制了静电纺丝的应用场景。因此，如何实现静电纺丝的自供能化，是开拓静电纺丝技术应用场景的重要问题。

摩擦纳米发电机（TENG）能够将环境中各种形式的机械能转化为电能，其输出具有电压大电流小的特点。研究人员常利用降压电路对TENG的输出进行管理之后再实现其应用。如何更好的结合TENG自身的输出特点，实现其更广范围的应用，是摩擦纳米发电机研究领域的一个重要课题。

有鉴于此，中科院北京纳米能源与系统研究所李从举研究员、王中林院士以及中科院化学研究所王春儒研究员合作，共同开发出无需外接电源的、TENG驱动的静电纺丝系统。

图1. 摩擦纳米发电机驱动的静电纺丝系统原理图

这种自供能静电纺丝系统由转盘式TENG、倍压整流电路、简易的纺丝针头组成。转盘式TENG的开路电压为1400V，远达不到静电纺丝的需求。

博士生殷营营和博士后周桃等研究人员设计了由二极管和电容按照一定规则排布组成的倍压整流电路，能够将TENG输出的交流电倍压整流成恒定的高压电。在优化的电路参数下，以TENG作为电源的倍压整流电路能输出8kV的恒定高压，以确保在静电纺丝过程中能够驱动持续泰勒锥的产生。

图2 倍压整流电路的工作原理及其在TENG驱动下的输出特性

（a）TENG在一个周期内输出的短路电流；（b）倍压整流电路图；（c）不同理论放大倍数下倍压整流电路的输出；（d）不同电容下倍压整流电路的输出

图3. 摩擦纳米发电机驱动的静电纺丝系统实物图与纺丝状态图

（a）摩擦纳米发电机驱动的静电纺丝系统实物图； TENG旋转前后的纺丝针头：（b）前；（c）后

研究团队利用这种自供能的静电纺丝系统，成功制备了多种聚合物纳米纤维，包括PET、PA6、PAN、PVDF和TPU。这些纤维直径分布均匀，表面光滑，与利用商业纺丝机制备的纤维形貌相当。

图4. 自供能的静电纺丝系统（左）和商业静电纺丝设备（右）制造的PET纤维

总之，这项研究工作用摩擦纳米发电机驱动静电纺丝系统制造纳米纤维，首次实现了无需外接电源的静电纺丝系统制造纳米纤维，也是摩擦纳米发电机首次应用到驱动生产性设备的研究工作上。

Congju Li, Chunru Wang, Zhong Lin Wang et al. Self-Powered Electrospinning System Driven by a Triboelectric Nanogenerator. ACS Nano 2017.

DOI: 10.1021/acsnano.7b05626