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高效可降解摩擦电纳米发电机通过生物合成锌锡氧化物纳米颗粒增强聚乙烯醇薄膜制备
莫妮卡（Monika）|米兰·库马尔·贝拉（Milan Kumar Bera）|加贾尔·辛格拉（Gajal Singla）|普里塔姆·海特（Pritam Hait）|苏门·巴苏（Soumen Basu）|尼基尔·库马尔（Nikhil Kumar）|赛费尔丁·M·西迪格（Saifeldin M. Siddeeg）|马尼卡姆·塞尔瓦拉杰（Manickam Selvaraj）|古尔贾斯普里特·辛格（Gurjaspreet Singh）|萨桑卡·查克拉巴蒂（Sasanka Chakrabarti）
印度哈里亚纳邦穆拉纳（Mullana）马哈里希·马尔坎德什瓦尔工程学院（Maharishi Markandeshwar Engineering College，被认定为大学）物理系，邮编133207
摘要
通过纳米粒子增强来提高电荷密度和界面极化对于实现摩擦电纳米发电机（TENGs）的高电输出至关重要。在这项研究中，采用了一种可生物降解的TENG，该发电机使用了通过Daucus carota果皮介导的方法合成的锌锡酸盐（Sn?ZnO?）纳米粒子（ZTO NPs）增强的聚乙烯醇（PVA）纳米复合材料薄膜。在800°C下煅烧后，主要生成了正交结构的Sn?ZnO?，同时伴随着少量的Sn?ZnO?和ZnSnO?相，形成了结晶度较高的ZTO NPs，平均粒径约为65纳米，这一点通过XRD、FESEM、EDX和XPS分析得到了证实。该材料的介电常数为约50，交流离子电导率为3.9 × 10?? S m?1。加入ZTO NPs显著提升了TENG在滑动模式（2-6 Hz）下的输出性能。在研究的各种组成中（1%、5%和10%的ZTO NPs@PVA纳米复合材料），5%的ZTO NPs@PVA纳米复合材料TENG表现出最佳的输出性能，可产生约3-4.5伏特的电压（相比之下，原始PVA仅为1.0-1.5伏特），同时电流密度（约3-6 μA cm?2）和转移的电荷（约0.02-0.03 μC cm?2）也更高，最大功率密度达到了0.26 mW cm?2，几乎是原始PVA的36倍。此外，这种纳米复合材料还具有快速的水溶性生物降解性（约4分钟），证明了其在环保能源收集平台中的可持续性。
引言
在物联网（IoT）时代，全球向可持续和环保能源技术的转变已成为减轻环境退化和化石燃料储备快速枯竭的重要手段。现代经济扩张推动的能源需求主要依赖于燃烧型传统资源，导致了严重的环境污染[1]、[2]、[3]。便携式电子产品（到2030年市场规模将达到8100亿美元）和信息通信技术设备（到2032年将达到406亿台）的增长，进一步加剧了对可持续能源的需求，预计到2030年将需要130吉瓦时的电池[4]。这种需求增长导致了全球电子垃圾量的增加，预计到2030年将超过8200万吨，而回收率很低（<17.4%），这给环境和健康带来了风险[5]。此外，相关的二氧化碳排放量预计将达到8.52亿吨，凸显了迫切需要绿色和可持续解决方案，相关市场预计到2033年将达到1022亿美元[6]。因此，开发绿色、可再生能源解决方案对于实现长期可持续性至关重要。随着智能、微型化电子设备和分布式无线传感器网络的普及，需要高效的电源来确保不间断运行[7]、[8]。然而，依赖电池的电子设备存在固有的局限性，如寿命有限、需要定期更换，以及电池管理和处置方面的挑战。这些缺点突显了需要能够从周围环境中（包括光、热、机械振动、水波和气流）收集能量的自供电系统[9]、[10]、[11]。
在各种能量收集技术中，摩擦电纳米发电机（TENGs）因其简单的设备结构、易于制造、广泛的材料选择、低成本，以及通过接触电化和静电感应耦合效应将低频机械运动转化为电能的显著能力而成为最有前景的候选者之一[12]、[13]。自2012年TENGs发明以来，人们投入了大量研究努力来提高其电性能、长期稳定性和材料适应性[14]。由于TENG的工作原理依赖于摩擦电化和静电感应的耦合效应，已经系统地研究了多种摩擦电材料，包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、尼龙和各种有机-无机复合材料，这些材料根据其在摩擦电极性序列中的位置进行了评估[15]。多样化的摩擦电材料提供了多种优势，如低制造成本、高电输出、多功能应用性以及持续性能提升的能力。
然而，尽管有这些优点，传统的TENGs仍然面临严重的环境问题。大多数常用的聚合物材料不可生物降解，设备寿命结束后会积累电子垃圾。这些设备通常被丢弃在垃圾填埋场或未经管理的垃圾场，从而造成长期的生态危害。为了解决这一挑战，可生物降解的摩擦电纳米发电机（BD-TENGs）作为一种可持续和环保的电子平台应运而生。BD-TENGs设计为在完成其工作周期后能在环境中自然降解或在生物系统中被吸收，消除了二次手术提取的需要，防止了持续的电子垃圾问题。这不仅减轻了环境污染，还提高了生物相容性和长期的人类安全性[16]、[17]。
像聚（乳酸-羟基乙酸）（PLGA）、聚己内酯（PCL）、聚乙烯醇（PVA）、聚丁酸乙二醇酯-对苯二甲酸酯（PBAT）、聚（羟基丁酸-羟基戊酸）（PHB/V）等可生物降解聚合物（BDPs）因其低成本、商业可用性、简单的加工工艺和可调的降解特性而被广泛用于构建BD-TENGs[8]、[18]、[19]。它们与可吸收金属的层状结构相结合，使得摩擦电行为具有适应性，可以根据每个摩擦电层的电子得失倾向来战略性地选择组成材料。因此，BD-TENGs的发展为下一代绿色电子产品提供了一条有效途径，使能量收集与循环经济和环境可持续性目标保持一致。
另一方面，将无机纳米材料掺入聚合物基体是提高摩擦电性能的有效方法，因为基于纳米复合材料的TENGs可以将优越的电学、机械和表面性能整合到单一的可调材料中，克服了传统单一材料或微复合材料的局限性。添加导电、介电或铁电纳米填料使这些设备能够实现更高的功率密度和可定制的功能。实际上，纳米材料的独特物理化学和介电特性（源于纳米尺度尺寸、高表面积与体积比以及可调的电荷分布）显著促进了电荷转移和能量转换。各种纳米材料，包括金属、金属氧化物、二维材料、铁电材料和碳基结构，已被用于通过提供高导电性、强电荷亲和力、机械柔韧性或额外的压电效应来提升TENG的输出[20]、[21]、[22]、[23]。此外，可持续纳米技术的最新进展强调了绿色合成方法作为生产无机纳米材料的可行替代方案。
最近的研究重点转向了环境可持续和可生物降解的TENG架构，以减少与传统聚合物基设备相关的塑料垃圾。聚乙烯醇（PVA）是一种可生物降解、水溶性和成本效益高的合成聚合物，为绿色TENG的制造提供了优秀的平台，而加入生态合成的无机填料进一步增强了可持续性。在这种情况下，使用Daucus carota（伞形科）果皮提取物生物合成锌锡酸盐纳米粒子（Sn?ZnO?；ZTO NPs）提供了一种环境友好且成本效益高的合成方法。果皮提取物富含多酚（如氯原酸和咖啡酸等羟基 cinnamon 酸）、黄酮类（如芸香苷和纳林根素）、类胡萝卜素（β-胡萝卜素）、多炔烃、抗坏血酸（维生素C）和其他天然抗氧化剂，这些成分在纳米粒子形成过程中起到了内在的还原和稳定作用，从而消除了对有毒化学前体和苛刻反应条件的需求[24]、[25]。提取物中的功能性生物分子促进了ZTO NPs的控制成核和生长，生成了分布均匀的纳米粒子，具有增强的表面活性和富含缺陷的结构，这些特性有利于提高介电性能和在摩擦电应用中的电荷捕获。
因此，通过绿色合成获得的ZTO NPs由于其高介电常数、氧空位介导的电荷捕获能力和高表面能，成为基于PVA的可生物降解TENGs的理想纳米填料，从而提高了TENG的性能，同时支持了可持续、环保的物联网传感器、可穿戴设备和能源自主系统的发展。
材料、化学品和试剂
胡萝卜（Daucus carota）果皮废弃物来自大学校园附近的家庭厨房和当地果汁店（坐标30°25′ N, 77°04′ E）。所有分析和研究级别的化学品和试剂，如聚乙烯醇（PVA）、硼氢化钠（NaBH?）、乙酸锌二水合物（Zn(CH?CO?)?·2H?O）、硝酸锡（Sn(NO?)?）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、浓盐酸（HCl）和硝酸（HNO?）等，均按原样使用，无需进一步纯化。
绿色合成ZTO NPs的结构、形态、成分和物理化学特性
采用X射线衍射（XRD）分析研究了合成ZTO NPs的相组成、晶体结构和结晶度。图2(a)中不同煅烧温度（原始状态、400°C和800°C）下的XRD图谱显示，随着温度的升高，结晶度逐渐提高，这体现在对应于主要正交结构ZTO相（空间群Pnma）的衍射峰变得更加尖锐和强烈（JCPDS编号00-028-1486）
结论
通过将绿色合成的锌锡酸盐纳米粒子掺入聚乙烯醇基体中，成功开发出了一种可生物降解且高性能的摩擦电纳米发电机。通过Daucus carota果皮提取物介导的方法，在800°C下煅烧后形成了结晶度较高的ZTO纳米粒子，这一点通过XRD、拉曼和FE-SEM分析得到了证实。实际上，800°C下的煅烧主要生成了正交结构的Sn?ZnO?，同时伴随着少量的Sn?ZnO?次要相
致谢
作者感谢国王哈立德大学（King Khalid University）的科学研究和研究生院在小型研究项目（项目编号R.G.P. 1/106/46）方面的支持，并感谢沙特阿拉伯国王哈立德大学先进材料研究中心（RCAMS）提供的宝贵技术支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
