随着科技及信息时代的高速发展,人们对能源的需求量越来越大,而煤,石油,天然气等一次能源逐渐面临枯竭,因此,人们迫切地希望寻求新型可再生能源来满足社会的可持续发展。太阳能发电,风力发电,水力发电等技术已广为人们利用。近年来,基于摩擦起电效应和静电感应相耦合的摩擦电纳米发电机引起了人们的广泛研究,它可以收集周围环境中废弃了的机械能将其转化为电能来给小型电子设备供电,实现能量供给的小型化,实时化,以满足人类的生产生活需要。目前,对摩擦电纳米发电机的研究主要集中在两个方面:一是对电极结构的设计优化;二是对摩擦材料的改性,其目的都是为了达到能量密度的最大化,转化效率的最大化。本文分别从这两个方面对纳米发电机进行研究,以改善其输出性能和探索摩擦材料电荷累积的机理,主要研究工作如下:(1)首次设计了一种蜂窝状三电极摩擦电纳米发电机收集全空间的运动能量,三电极组周期性地排列于一平面或球面内,由于每一个电极周围都是与之不同的电极,其可收集平面任意方向的运动能量而不会有失效状态。同时,该器件依靠滑动工作模式和震动工作模式可独立收集全空间的运动能量,而不需要与大地连接,极大地方便了人们的使用。其平面滑动模式的最大输出电流密度,电压和功率密度分别为16.4μA/m2,413 V,2.1 W/m2,球面滑动模式的最大输出电流为0.55μA。该发电机可在80秒内将一个100μF的商业电容器充电至2.1V。另外,足球状的发电机可用作警报器监测房屋桥梁的振动情况,此多电极纳米发电机的设计将在未来能源收集方面具有广泛应用。(2)设计了一个基于两种聚合物材料,铝箔电极和铜线圈的可折叠便携式摩擦-电磁纳米发电机用来收集周围环境中的机械能,铜线圈发挥双重作用,既可用作弹簧提供摩擦材料接触分离还是电磁感应能量电路的重要组成部分。该摩擦-电磁纳米发电机具有良好的稳定性,折叠多次后输出性能几乎保持不变。本文系统讨论了单个摩擦电发电机和电磁感应发电机的输出性能,最大输出电流,电压和功率分别是32.2μA,500 V,2 mW(摩擦发电机)和4.04 mA,30 mV,15.8μW(电磁发电机)。摩擦发电机的阻抗较大可用作电流源,而电磁发电机的阻抗较小可用作电压源。若将其集成于衣服或背包上可作为移动光源并且可用作自供能气流传感器探测呼吸频率,其在医疗诊断方面具有潜在的应用。该摩擦-电磁纳米发电机结构简单,易于携带可广泛应用于日常生活中,收集环境中的能量为小型电子器件供电。(3)聚二甲基硅氧烷(PDMS)易于构成内部微结构是一种探究摩擦电机理的最佳材料之一。本文通过填充银纳米颗粒并在内部构建中空结构形成微电容和可变微电容,系统研究了两种复合膜基纳米发电机的输出特性,包括不同的银纳米颗粒填充量,不同孔洞率及孔洞尺寸,对可变微电容复合膜的介电常数,介电损耗和电容进行表征,可变微电容复合膜基(VMCs@PDMS)纳米发电机的输出分别是纯PDMS和微电容复合膜(MCs@PDMS)基纳米发电机输出的4倍和1.6倍,输出功率密度可达到6 W/m2,本文首次对PDMS填充导电纳米颗粒并形成多孔结构的机理进行了研究。(4)本文通过简单的旋涂技术使石墨烯片在PDMS中定向分布,制作了基于定向石墨烯复合膜的纳米发电机,系统研究了基于不同石墨烯填充量及不同旋涂层复合膜的纳米发电机的输出性能。基于定向石墨烯片与非定向石墨烯片及不同尺寸的石墨颗粒薄膜的纳米发电机的输出性能进行对比,同时PDMS复合膜的电容,介电损耗,电导和电阻被表征分析,基于定向石墨烯片复合膜(AGS@PDMS)的纳米发电机的输出性能是基于纯PDMS膜的纳米发电机的3倍,当负载电阻为15MΩ时其输出功率密度可达到4.8 W/m2。另外,此纳米发电机可用作压力传感器测量物体的质量和下落高度。本文从理论上阐述了纳米发电机产生的较高电压可由PDMS中定向石墨烯片形成的微电容分压,以获得较高的击穿电压和能量转换效率。