对高效能量收集器的需求日益增长，这得益于自供电电子设备、物联网（IoT）和可穿戴设备的发展。人们需要紧凑、轻便、灵活且无需频繁更换的能源。虽然传统电池效果显著，但存在寿命有限、环境影响以及依赖定期充电等局限性[[1], [2], [3]]。此外，电池处理会因使用有毒材料而带来严重的环境风险，这进一步推动了寻找替代的、可靠的和创新能源解决方案的进程[1,3,4]。从环境中的机械源（如人体运动、振动和环境刺激）中收集能量为下一代电子系统提供了有前景的解决方案。通过将机械能转换为电能，能量收集器为传统电池提供了一种可持续的、无需维护的替代方案，使得电子系统能够自我维持[[5], [6], [7]]。
在各种能量收集机制中，压电纳米发电机（PENGs）和摩擦电纳米发电机（TENGs）因其能够从人体运动、振动和压力波动等机械变形中产生电能而成为有前景的解决方案。PENGs利用在机械应变下自发极化的智能材料来生成电荷[8,9]。而TENGs则依赖于两种或更多不同材料之间的接触电化和静电感应来产生电能[[10], [11], [12], [13], [14]]。TENGs已被集成到各种设备中，用于机器学习和可穿戴传感器及纳米发电机[[15], [16], [17]]。尽管每种机制都有其优缺点（例如压电材料的电压相对较低，摩擦电材料存在电荷耗散问题），但将这些机制结合到一个设备中可以克服这些限制，从而最大化能量输出。压电材料提供高能量密度和长期稳定性，而摩擦电材料则有助于提高电压输出和表面电荷密度[5,6,18]。通过结合这些效应，混合纳米发电机（HNGs）可以实现更高的功率密度、更好的机械适应性和更优的能量转换效率[19,20]。因此，HNGs能够同时有效利用多种机械能源，从而最大化其效率、功率输出和实用性。压电聚合物（PP）由于其柔性的机械性能而在HNGs中具有显著优势。目前已有大量研究致力于开发新型PP[[21], [22], [23], [24]]，包括复合压电材料[[25], [26], [27], [28]]、可光图案化的压电复合材料[[29], [30], [31]]、混合堆栈[[32], [33], [34]]以及各种其他薄膜。
聚偏二氟乙烯（PVDF）是最常用的压电聚合物，它结合了灵活性、轻质性、机械坚固性、低弹性刚度、高介电击穿强度和低声阻抗[[35], [36], [37]]。许多研究致力于提升PVDF的固有铁电和压电性能。机械拉伸、电极化、相变方法、共聚以及添加填料是一些有效的策略，这些方法都能改善PVDF的压电性能[36,38,39]。其中，加入纳米填料已被证明有助于改变PVDF的介电、机械、热和压电性能。多种纳米填料已被引入PVDF基质中，例如陶瓷[[40], [41]]、金属有机框架[[42], [43], [44]]、二硫化钼（MoS2][[45], [46], [47]]以及导电碳基纳米材料[[48], [49], [50]]。六方氮化硼（h-BN）具有类似石墨的层状结构，具有高导热性，无毒，并且硬度 and 强度增加，从而提升了机械性能。h-BN在高达约1000 °C的温度下仍能保持稳定[45,46]，这有助于在高温下散热，而许多陶瓷填料在高温下会降解或去极化。作为电绝缘体[45]，它有助于维持较低的介电损耗并防止泄漏电流，这是碳纳米管（CNTs）和基于石墨烯的纳米材料常见的问题。此外，由于其片状形态和强大的平面内机械完整性，它为复合材料提供了机械强度和灵活性，并能作为极性相结晶的成核剂，与聚合物基质形成良好的表面接触[42]。因此，在PVDF中添加h-BN有可能提升介电性能、增强电荷传输并改善机械性能。最近的研究探讨了在PVDF中集成h-BN以提高传感和能量收集性能[[51], [52], [53], [54], [55]]。
各种PVDF复合材料和纳米复合材料也被用作HNGs的压电/摩擦电层，其中不同的聚合物被用作第二摩擦电层[[56], [57], [58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66], [67]]。基于纳米多孔PVDF空心纤维和PDMS阀门的声学HNG表现出更高的性能，输出电压为105.5 V，功率密度为0.92 W/m2[66]。Rana等人引入了掺杂硼和氮的还原氧化石墨烯作为压电组分，以及聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为摩擦电组分，制备了一种HNG，其输出电压为50.6 V，功率密度为70.65 μW/cm2[63]。Lekha等人研究了一种基于PVDF/CoFe2O4静电纺纳米纤维（作为摩擦负层）的眼形混合装置，该装置在空气间隙下达到了120 V的峰值电压，功率密度为28.5 μW/cm2[60]。大多数研究人员专注于在HNGs中使用PDMS和聚四氟乙烯（PTFE）作为摩擦电组分。PTFE是一种脆性材料，灵活性较低，在重复应力作用下会导致机械性能下降。PDMS虽然具有灵活性，但在反复使用过程中容易发生机械降解，且弹性模量（0.4–3.5 MPa）相对于皮肤来说较高[59]。
最近，一种新的基于硅的弹性体Ecoflex因其灵活性、可伸展性和机械耐久性而成为TENGs的有希望的候选材料[68,69]。Ecoflex系列的弹性模量在10′s-100 kPa范围内，伸长率可达10倍，已经研究了各种Ecoflex薄膜的机械性能[70,71]。由于其柔软、轻便、生物相容性和无毒的特性，加上机械韧性（低模量）、高效的电荷传输以及与皮肤相似的机械性能，Ecoflex被用于可穿戴和可伸展电子设备中，与其他材料相比[72], [73], [74], [75], [76]。Shrestha等人提出了一种基于硅氧烷/Ecoflex复合材料的非接触式高性能TENG[77]。他们引入了掺入激光诱导石墨烯的MoS2作为电荷捕获层，展示了0.45 V/ %的湿度传感效率。I. C. Candido等人研究了使用Ecoflex/石墨片和人体皮肤分别作为摩擦负层和摩擦正层的无金属TENG，其输出电压为308.7 V，功率密度为197.2 μW/cm2[78]。此外，基于Ecoflex的TENG还被研究作为人机交互的潜在可穿戴设备[79], [80], [81], [82]。Ecoflex有多种不同的肖氏硬度组成，其中最常见的为00–30和00–50。Ecoflex 00–31的肖氏硬度为00–31，其机械性能更接近皮肤，并且设计得更加透明[83]。我们之前的研究比较了Ecoflex 00–30和00–31混合溶液的机械特性[83]，结果表明添加00–31后，薄膜的极限抗拉强度（UTS）和可伸展性得到了提升。此外，其光学透明度非常适合集成光学电子设备的电子皮肤/人造皮肤应用。目前尚未有研究探讨Ecoflex 00–31的摩擦电性能。同样，也未研究过将PVDF/h-BN复合材料作为压电/摩擦电组分与Ecoflex作为次要摩擦电组分的组合。
虽然独立的TENGs确实可以产生非常高的开路电压（Voc），但仅凭峰值Voc并不足以反映实际的能量收集应用效果。这是因为TENG的输出通常具有高阻抗，并且严重依赖于接触条件，这在实际的可穿戴运动中可能会降低稳定性。因此，在本研究中，我们尝试将PVDF（一种柔性的、易于加工的压电聚合物）、h-BN纳米填料（作为介电和压电性能增强剂）以及Ecoflex（一种柔软、生物相容、光学透明、可伸展的弹性体）协同集成，以开发高性能的HNG系统。研究了h-BN的添加对PVDF电活性相的发展以及复合材料的结构、机械、电和压电性能的提升。此外，还展示了将Ecoflex作为摩擦电层集成后，HNG整体性能的改善。然后将这些堆叠的薄膜层应用于振动和声学传感器，并在各种环境（如温度和湿度升高）下进行了测试。我们的PVDF/h-BN/Ecoflex压电-摩擦电复合材料的关键优势不仅在于高Voc，还在于在多种机械刺激下的协同和更稳健的能量转换。摩擦电界面能有效收集接触-分离运动产生的能量，而PVDF/h-BN层在变形过程中有助于压电极化，从而改善了可用输出性能（例如电流和功率密度）。此外，Ecoflex的封装提供了机械柔顺性和界面保护，这对于在柔性/可穿戴环境中重复操作非常有利，因为纯TENG架构经常因不受控制的接触和表面磨损而面临不稳定问题。
