金属有机框架嵌入电纺纤维膜基混合纳米发电机用于机械能收集与物联网应用

这篇研究报道了一种集成金属有机框架（MOF）负载电纺纤维膜与分级改性尼龙（HMN）薄膜的混合纳米发电机（HNG），通过优化MOF在聚偏氟乙烯（PVDF）中的负载浓度，实现了≈402 V电压、≈18 μA电流和≈240 μC m?2电荷密度的优异输出性能。该器件在智能汽车座椅压力监测和自适应安全气囊部署等物联网（IoT）应用中展现出巨大潜力，为下一代自供电传感系统提供了创新解决方案。

　　

引言

近年来，物联网（IoT）技术的快速发展推动了对可持续能源采集技术的需求。摩擦纳米发电机（TENG）因其高效机械能转换能力成为研究热点，其工作原理基于接触起电和静电感应效应。金属有机框架（MOF）因其高比表面积和可调孔隙结构被引入聚偏氟乙烯（PVDF）电纺纤维中作为负摩擦层，而具有微图案和微孔的分级改性尼龙（HMN）薄膜作为正摩擦层，显著提升了电荷生成效率。

材料合成与表征

通过溶剂热法合成锌基MOF（Zn-MOF），X射线衍射（XRD）显示其特征峰与MOF-5结构吻合，热重分析（TGA）表明其在250°C以下保持稳定。将MOF以0.1-1 wt.%浓度嵌入PVDF电纺纤维，扫描电镜（FE-SEM）显示1 wt.%负载时纤维均匀性最佳，表面粗糙度（Rq）达572.05 nm。HMN薄膜通过硅模板反向压印制备，激光轮廓仪显示其表面粗糙度（Sq）从0.299提升至1.730，大幅增加接触面积。

器件性能优化

混合纳米发电机（HNG）采用FMP（MOF/PVDF纤维膜）与HMN组成，在7 N压力和5 Hz频率下，1 wt.% MOF负载器件输出性能最优，瞬时功率密度达8 W m^?2。频率响应测试表明，3 Hz以上输出趋于饱和，而10,000次循环测试中电压波动仅±4.78 V，展现优异稳定性。

应用验证

穿戴式测试中，6个HNG器件分别集成于肢体关节，可实时监测运动信号（视频S1）。汽车座椅集成实验中，8个HNG阵列通过蓝牙传输压力分布数据至手机端，结合算法逻辑（图S11）实现乘员坐姿识别，为智能安全气囊部署提供数据支持（视频S2）。此外，HNG成功驱动130个LED并可为电子表持续供电，验证其能量收集能力。

结论

该研究通过MOF-PVDF纤维与HMN薄膜的协同设计，实现了高性能HNG器件，其机械能转换效率与稳定性为智能穿戴、汽车安全等IoT领域提供了新的技术路径。未来可通过优化MOF化学修饰进一步提升器件灵敏度，拓展其在生物医学监测等场景的应用潜力。