Vortex-Driven Triboelectric Nanogenerator via Electrospinning of Nylon Nanofiber Yarn/PVDF-TrFE Membrane for Energy Harvesting and Self-Powered Flow Sensing

摩擦电效应 纳米发生器 静电纺丝 材料科学 涡流 能量收集 纳米纤维 流量(数学) 复合材料 纱线 纳米技术 能量(信号处理) 压电 机械 物理 化学 聚合物 量子力学 生物化学
作者
Hongyi Wu,Yuelin Yu,Yu Yongtao,Jian Shi,Hideaki Morikawa,Chunhong Zhu
出处
期刊:ACS applied electronic materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (15): 7170-7183 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsaelm.5c00993
摘要

Airflow energy harvesting and wind-speed sensing are crucial for intelligent transportation systems, especially in electric vehicles and low-speed aircraft. This study introduces a vortex-driven yarn oscillation wind energy harvesting and sensing system (VYOWS), which uses vortex-induced vibration within a tubular channel to drive a core–sheath nylon yarn coated with electrospun nylon nanofiber. The dynamic contact between the yarn and nanofiber-based friction layers generates electrical signals through a combination of triboelectric and piezoelectric effects. To enhance output performance, multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) were added to PVDF-TrFE nanofibers to enhance β-phase crystallinity and dielectric polarization, while in situ polymerization of polyaniline (PANI) provided conductivity. The optimized design produced a maximum power output of 2.1 μW, successfully powered small electronic devices, and responded to wind speed and vehicle acceleration during on-road testing. The device also demonstrated hydrophobicity and long-term mechanical durability. This work provides a scalable approach to developing self-powered, airflow-responsive sensors for distributed flow monitoring and energy harvesting in next-generation smart mobility systems.
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