CN110138257A - 一种摩擦纳米发电机及其制备方法、可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摩擦纳米发电机及其制备方法、可穿戴设备。该制备方法包括如下步骤：用静电纺丝法制备聚合物纤维网状膜，其作为电负性摩擦层；制备还原氧化石墨烯溶液，或在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液；通过抽滤方式将还原氧化石墨烯溶液或还原氧化石墨烯杂化溶液负载在聚合物纤维网状膜上，以在聚合物纤维网状膜上形成还原氧化石墨烯膜或还原氧化石墨烯杂化膜，并将其作为电荷增强输出层；制备第二电极层，其同时作为电正性摩擦层；将电荷增强输出层和电负性摩擦层作为一个整体，使其与第二电极层电连接并形成预设间距，从而获得摩擦纳米发电机。由此，极大提高了摩擦纳米发电机的电学输出。

Description

一种摩擦纳米发电机及其制备方法、可穿戴设备

技术领域

本发明涉及纳米能源技术领域，尤其涉及一种摩擦纳米发电机及其制备方法、可穿戴设备。

背景技术

基于摩擦电和静电感应原理的摩擦纳米发电机发展十分迅速，由于其制作工艺简单，材料便宜易得，器件轻便以及转化效率高等特点，使得其成为未来机械发电的一种选择。然而，在纳米发电机可以作为大规模应用的实用绿色电源之前，须通过合理的设计显著改善其性能，包括输出性能和耐久性。而不断寻求提升摩擦纳米发电机输出表现的方法一直以来也是研究人员试图有效收获机械能的目标，实现这一目标的一种途径是材料方面的优化。

从材料角度来说，纳米发电机的性能品质因数与摩擦电荷密度的平方成正比，在确定结构得到最大电荷密度的条件下，提高摩擦电荷密度从而提升摩擦纳米电机的输出性能仍有很大的空间，而摩擦电荷密度也是确定输出功率的最重要参数。材料的优化方式除了物理表面工程外，主要是化学表面修饰，化学表面修饰是一种更为直接有效的方法。

现有技术中存在获得高性能摩擦纳米发电机的各种化学方法，例如通过掺杂高介电常数纳米粒子改变摩擦电材料的相对介电常数，在材料表面通过离子、分子微粒形成空隙结构，对高分子有机材料进行官能团的改变与修饰等，这些方法都能够用来获得摩擦纳米发电机的性能提升，但由于其高复杂程度、高成本、长生产时间以及低可重复性等相关的问题，实际应用仍然存在一定的限制。

因此，研究出一种简单、成本低又能大幅度增加摩擦电荷密度的摩擦材料以满足应用需求有着重要的意义。

发明内容

本发明的一个目的是要解决现有技术中的用于制备摩擦纳米发电机的方法复杂、成本高、生产时间长以及可重复性低的技术问题。

本发明的另一个目的是要解决现有技术中的摩擦纳米发电机的电学输出低的技术问题。

本发明的再一个目的是满足当代社会对于便携式可穿戴电子设备的供电需求。

特别地，本发明还提供了一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

电负性摩擦层，其为利用静电纺丝方法制备而成的聚合物纤维网状膜；

电荷增强输出层，其为还原氧化石墨烯膜，或在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化膜，所述电荷增强输出层与所述电负性摩擦层连结在一起；

第一电极层，其形成在所述电荷增强输出层的表面上；

电正性摩擦层，其同时作为第二电极层；

所述电荷增强输出层和所述电负性摩擦层作为一个整体，其与所述第二电极层电连接且具有预设间距，且能够相互接触分离产生电荷；

其中，所述电荷增强输出层用于增强所述摩擦纳米发电机的电学输出。

可选地，所述聚合物纤维网状膜的原材料为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一种或多种的混合物。

可选地，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒，所述半导体纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒。

可选地，所述第二电极层的材料为铜或铝。

特别地，本发明提供了一种上述的摩擦纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：

利用静电纺丝方法制备聚合物纤维网状膜，所述聚合物纤维网状膜作为电负性摩擦层；

制备获得还原氧化石墨烯溶液，或者在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液；

通过抽滤的方式将所述还原氧化石墨烯溶液或所述还原氧化石墨烯杂化溶液负载在所述聚合物纤维网状膜上，以在所述聚合物纤维网状膜上形成还原氧化石墨烯膜或还原氧化石墨烯杂化膜，所述还原氧化石墨烯膜或所述还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层；

在所述电荷增强输出层的表面上形成第一电极层；

制备获得电正性摩擦层，所述电正性摩擦层同时作为第二电极层；

将所述电荷增强输出层和所述电负性摩擦层作为一个整体，使其与所述第二电极层电连接并形成预设间距，从而获得摩擦纳米发电机。

可选地，所述利用静电纺丝方法制备聚合物纤维网状膜，包括如下步骤：

将质量浓度为8-15％的聚合物分散到溶剂中，获得聚合物前驱体溶液；

将所述聚合物前驱体溶液加入针筒，利用注射泵控制注射速度为0.6-0.8mL/h，控制所述针筒的针尖到接收端的距离为10-15cm，以及在所述针尖和所述接收端之间加12-15kV高压，以在所述接收端得到纤维，并随时间累积获得纤维网状膜坯料；

将所述纤维网状膜坯料在145-170℃下进行预氧化，从而获得所述聚合物纤维网状膜。

可选地，所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一种或多种的混合物。

可选地，所述通过抽滤的方式将所述还原氧化石墨烯溶液或所述还原氧化石墨烯杂化溶液负载在所述聚合物纤维网状膜上的步骤中，所抽滤的所述还原氧化石墨烯溶液或所述还原氧化石墨烯杂化溶液的体积为5-20ml。

可选地，所述制备获得还原氧化石墨烯溶液，包括如下步骤：

提供氧化石墨烯，将所述氧化石墨烯溶解在去离子水中并超声，获得均相溶液；

将所述氧化石墨烯的还原剂加入所述均相溶液中进行搅拌混合，从而获得还原氧化石墨烯溶液。

可选地，所述制备获得在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液，还包括如下步骤：

向所述还原氧化石墨烯溶液中加入金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的前驱体溶液和所述前驱体溶液的还原剂，并搅拌，从而获得负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液。

特别地，本发明还提供了一种可穿戴设备，包括上述的摩擦纳米发电机，用于为所述可穿戴设备供电。

根据本发明的方案，利用抽滤的方式将电荷增强输出层负载在电负性摩擦层上，从而在电正性摩擦层与电负性摩擦层接触分离时产生更大的电学输出，由此极大提高摩擦纳米发电机的电学输出。并且，该制备方法简单、成本低、生产时间短，且可重复性非常高。电荷增强输出层可以极大地提高摩擦纳米发电机的电学输出。由上述制备方法制备获得的摩擦纳米发电机从制备到应用对设备要求不高，成本低，并且摩擦纳米发电机工作机理简单，工作过程无危险，效率高，有助于工业化推广，具有显著的经济效益和社会效益。

此外，利用静电纺丝法制备获得的聚合物纤维网状膜可以作为抽滤时的滤膜，同时还可以作为电负性摩擦材料。并且该静电纺丝法合成的材料的成分含杂质少、稳定无污染，且在制备和组装过程无需任何模板和复杂的后处理步骤。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的示意性结构图；

图2示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的制备方法的示意性流程图；

图3示出了根据本发明一个实施例的制备聚合物纤维网状膜的方法流程图；

图4示出了根据本发明一个实施例的聚偏氟乙烯纤维网状膜的扫描电子显微镜图；

图5示出了根据本发明一个实施例的聚偏氟乙烯前驱体溶液即纺丝溶液的体积与摩擦纳米发电机的电学输出关系的曲线对比图；

图6示出了根据本发明一个实施例的被抽滤的还原氧化石墨烯溶液的体积和浓度分别与摩擦纳米发电机的电学输出关系的曲线对比图；

图7示出了根据本发明一个实施例的无电荷增强输出层、还原氧化石墨烯膜作为电荷增强输出层以及还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层时摩擦纳米发电机的电学输出对比图；

图8示出了根据本发明一个实施例的在还原氧化石墨烯上掺杂不同质量分数的银纳米颗粒时所获得的摩擦纳米发电机的电学输出曲线对比图；

图9(a)示出了根据本发明一个实施例的无电荷增强输出层时电负性摩擦层的表面电势图；

图9(b)示出了根据本发明一个实施例的还原氧化石墨烯膜作为电荷增强输出层时电负性摩擦层的表面电势图；

图9(c)示出了根据本发明一个实施例的还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层时电负性摩擦层的表面电势图；

图10(i)示出了无电荷增强输出层时尖端和电负性摩擦层的电子能级图；

图10(ii)示出了还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层时尖端和电负性摩擦层的电子能级图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的示意性结构图。如图1所示，本发明提供了一种摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机包括电负性摩擦层10、电荷增强输出层20、电正性摩擦层30和第一电极层40，其中电正性摩擦层30同时作为第二电极层。由此形成叠层的摩擦纳米发电机。电负性摩擦层10为利用静电纺丝方法制备而成的聚合物纤维网状膜。电荷增强输出层20为还原氧化石墨烯膜，或在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化膜，电荷增强输出层20与电负性摩擦层10连结在一起。在一个实施例中，该电荷增强输出层20与电负性摩擦层10通过抽滤的方式连接在一起。第一电极层40形成在电荷增强输出层20的表面上。电荷增强输出层20和电负性摩擦层作为一个整体，其与电正性摩擦层30(第二电极层)与之间具有预设间距，且能够相互接触分离产生电荷。其中，电荷增强输出层20用于增强摩擦纳米发电机的电学输出。该电正性摩擦层30的面积大于或等于电负性摩擦层10的面积，即两者之间的接触面积取决于面积较小的电负性摩擦层10。

其中，聚合物纤维网状膜的原材料为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一种或多种的混合物。金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒，半导体纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒。第二电极层的材料为铜或铝。

根据本发明实施例的方案，由于增加电荷增强输出层，可以极大地提高该摩擦纳米发电机的电学输出。并且，该摩擦纳米发电机从制备到应用对设备要求不高，成本低，并且摩擦纳米发电机工作机理简单，工作过程无危险，效率高，有助于工业化推广，具有显著的经济效益和社会效益。

图2示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的制备方法的示意性流程图。如图2所示，该制备方法包括：

步骤S100，利用静电纺丝方法制备聚合物纤维网状膜，聚合物纤维网状膜作为电负性摩擦层；

步骤S200，制备获得还原氧化石墨烯溶液，或者在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液；

步骤S300，通过抽滤的方式将还原氧化石墨烯溶液或还原氧化石墨烯杂化溶液负载在聚合物纤维网状膜上，以在聚合物纤维网状膜上形成还原氧化石墨烯膜或还原氧化石墨烯杂化膜，还原氧化石墨烯膜或还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层；

步骤S400，制备获得电正性摩擦层，该电正性摩擦层同时作为第二电极层；

步骤S500，在电荷增强输出层的表面上形成第一电极层；

步骤S600，将电荷增强输出层和电负性摩擦层作为一个整体，使其与第二电极层连接并形成预设间距，从而获得摩擦纳米发电机。

在步骤S100中，聚合物纤维网状膜的原材料需最终制备获得的聚合物纤维网状膜为电负性的摩擦材料，且可以利用静电纺丝方法制备出来，还需要最终由此制备获得的摩擦纳米发电机的电学输出高，即输出电压高、输出电流高以及电量高。该聚合物纤维网状膜的原材料例如可以为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一种或多种的混合物。优选为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚丙烯腈。

图3示出了根据本发明一个实施例的制备聚合物纤维网状膜的方法流程图。如图3所示，利用静电纺丝方法制备聚合物纤维网状膜，包括：

步骤S110，将质量浓度为8-15％的聚合物分散到溶剂中，获得聚合物前驱体溶液；

步骤S120，将聚合物前驱体溶液加入针筒，利用注射泵控制注射速度为0.6-0.8mL/h，控制针筒的针尖到接收端的距离为10-15cm，以及在针尖和接收端之间加12-15kV高压，以在接收端得到纤维，并随时间累积获得纤维网状膜坯料；

步骤S130，将纤维网状膜坯料在145-170℃下进行预氧化，从而获得聚合物纤维网状膜。

在步骤S110中，聚合物的质量浓度例如可以为8％、10％、12％、14％或15％，也可以为8-15％中任一其他数值。在步骤S120中，控制注射速度为0.6mL/h、0.7mL/h或0.8mL/h，也可以为0.6-0.8mL/h中任一其他数值。控制针筒的针尖到接收端的距离为10cm、12cm、14cm或15cm，也可以为10-15cm中任一其他数值。在针尖和接收端之间加12kV、13kV、14kV或15kV高压，也可以为12-15kV中任一其他数值。在步骤S130中，将纤维网状膜坯料在145℃、155℃、160℃或170℃，也可以在145-170℃中任一其他温度下进行预氧化。由此，可以获得满足要求的聚合物纤维网状膜。

在该步骤200中，制备获得还原氧化石墨烯溶液，包括：提供氧化石墨烯，将氧化石墨烯溶解在去离子水中并超声，获得均相溶液；将氧化石墨烯的还原剂加入均相溶液中进行搅拌混合，从而获得还原氧化石墨烯溶液。

制备获得在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液，还包括如下步骤：向还原氧化石墨烯溶液中加入金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的前驱体溶液和前驱体溶液的还原剂，并搅拌，从而获得负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液。

其中，该金属纳米颗粒优选为金纳米颗粒或银纳米颗粒，半导体纳米颗粒优选为二氧化钛纳米颗粒。

在该步骤S300中，通过抽滤的方式将还原氧化石墨烯溶液或还原氧化石墨烯杂化溶液负载在聚合物纤维网状膜上的步骤中，所抽滤的还原氧化石墨烯溶液或还原氧化石墨烯杂化溶液的体积为5-20ml。其中，抽滤为减压抽滤方式，属于现有技术，此处不再赘述。其中，电荷增强输出层也即电荷俘获层(electron trapping layer)。

在步骤S400中，该第二电极层的材料为金属材料，例如可以为铝或铜材料。该第二电极层的面积大于或等于电负性摩擦层的面积。在步骤S500中，第一电极层的面积可以为任意大小，只要不影响电学输出即可，该第一电极层的材料也为金属材料，例如可以为铝或铜材料。在步骤S600中，电荷增强输出层和电负性摩擦层作为一个整体与第二电极层电连接并形成预设间距，可以接触分离从而产生电荷。

根据本发明的方案，利用抽滤的方式将电荷增强输出层负载在电负性摩擦层上，从而在电正性摩擦层与电负性摩擦层接触分离时产生更大的电学输出，由此极大提高摩擦纳米发电机的电学输出。并且，该制备方法简单、成本低、生产时间短，且可重复性非常高。电荷增强输出层可以极大地提高摩擦纳米发电机的电学输出。

此外，利用静电纺丝法制备获得的聚合物纤维网状膜可以作为抽滤时的滤膜，同时还可以作为电负性摩擦材料。并且该静电纺丝法合成的材料的成分含杂质少、稳定无污染，且在制备和组装过程无需任何模板和复杂的后处理步骤。

在一个实施例中，摩擦纳米发电机的制备方法中步骤S100包括如下步骤：

将质量分数为15％的聚偏氟乙烯(PVDF)在常温下溶解在二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮中，并混合搅拌24小时，得到混合均匀的聚偏氟乙烯前驱体溶液；

利用5mL针筒吸取一定量的聚偏氟乙烯前驱体溶液，配上22gauge尺寸的针头，将其放置在注射泵上，设置针尖与接地的接收端距离为15cm，并且两端所加的电压为15kV，注射泵的推进速度为0.7mL/h，纺丝喷射溶液为5mL；

纺丝7.2小时后，取下纤维网状膜坯料；

将该纤维网状膜坯料置于真空干燥箱中进行预氧化稳定过程，控制温度为145℃，时间为24小时，从而获得聚偏氟乙烯纤维网状膜。

用改进过的Hummers方法制备获得氧化石墨烯；

将氧化石墨烯溶解在去离子水中，并超声1小时，得到均相溶液；

将L-抗坏血酸作为还原剂加入该均相溶液中进行剧烈搅拌，从而得到还原氧化石墨烯(记为rGO)；

将一定比例的AgNO₃和NaBH₄加入还原氧化石墨烯中，经过12小时的剧烈搅拌，得到负载有银纳米颗粒的还原氧化石墨烯(记为rGO-AgNPs)，即还原氧化石墨烯杂化溶液；

将聚偏氟乙烯纤维网状膜作为滤膜，利用真空抽滤装置通过抽滤的方式抽滤还原氧化石墨烯杂化溶液，从而获得负载在聚偏氟乙烯纤维网状膜上的还原氧化石墨烯杂化层，简称双层结构层；

制备获得第二电极层，该第二电极层与上述双层结构层组装，并使第二电极层与双层结构层之间具有一定间距，且能够相互接触分离产生电荷。在一个实施例中，该第二电极层与该双层结构层的形状相同。最终组装获得的摩擦纳米发电机的结构为圆柱体型。

该制备过程中所采用的试剂以及产品均绿色无污染，非常环保。

图4示出了根据本发明一个实施例的聚偏氟乙烯纤维网状膜的扫描电子显微镜图。如图4所示，该聚偏氟乙烯纤维网状膜的纤维直径约为200nm。图5示出了根据本发明一个实施例的聚偏氟乙烯前驱体溶液即纺丝溶液的体积与摩擦纳米发电机的电学输出关系的曲线对比图，其中，电学输出包括电压输出、电流输出和电量输出。如图5所示，电学输出随着纺丝溶液体积的增加而逐渐增大，当纺丝溶液体积达到5ml时最适宜作滤膜，开路电压达到150V左右。而纺丝溶液的体积与聚偏氟乙烯纤维网状膜的厚度有关，纺丝溶液的体积越大，则获得的聚偏氟乙烯纤维网状膜的厚度越厚。因此，电学输出大小也与聚合物纤维网状膜的厚度相关。

图6示出了根据本发明一个实施例的被抽滤的还原氧化石墨烯溶液的体积和浓度分别与摩擦纳米发电机的电学输出关系的曲线对比图，其中，电学输出包括电压输出、电流输出和电量输出。如图6所示，当被抽滤的还原氧化石墨烯溶液体积为10ml，浓度为1.5mg/ml时，摩擦纳米发电机的输出增强3.5倍左右。

图7示出了根据本发明一个实施例的无电荷增强输出层、还原氧化石墨烯膜作为电荷增强输出层以及还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层时摩擦纳米发电机的电学输出对比图，其中，电学输出包括电压输出、电流输出和电量输出。如图7所示，无电荷增强输出层(记为原样)时，摩擦纳米发电机几乎无电学输出或电学输出非常小。当将还原氧化石墨烯膜作为电荷增强输出层(记为有rGO)时，摩擦纳米发电机有电学输出，并且电学输出有较大提高。当将还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层(记为有rGO-AgNPs)时，摩擦纳米发电机的电学输出进一步提高。

图8示出了根据本发明一个实施例的在还原氧化石墨烯上掺杂不同质量分数的银纳米颗粒时所获得的摩擦纳米发电机的电学输出曲线对比图，其中，电学输出包括电压输出、电流输出和电量输出。如图8所示，当银纳米颗粒的质量分数为70％左右时，最大开路电压能达到200V左右，摩擦纳米发电机的输出增强5倍左右。

图9(a)示出了根据本发明一个实施例的无电荷增强输出层时电负性摩擦层的表面电势图。图9(b)示出了根据本发明一个实施例的还原氧化石墨烯膜作为电荷增强输出层时电负性摩擦层的表面电势图。图9(c)示出了根据本发明一个实施例的还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层时电负性摩擦层的表面电势图。结合图9(a)至图9(c)可知，表面电势差不断增加的过程中电负性摩擦层的电学输出不断增强。

图10(i)示出了无电荷增强输出层时尖端和电负性摩擦层的电子能级图，其中，尖端和电负性摩擦层表面间隔距离为d，并且没有电连接(真空能级是对齐的，但费米能级不同)。其中，此处“尖端”是指，在利用原子力显微镜(AFM)探测时，Pt探针的针尖。若尖端和电负性摩擦层表面之间的距离对于电子隧穿足够接近，平衡要求费米能级在稳定状态下排列，然后，尖端和电负性摩擦层表面将被充电，并且将形成明显的接触电势差，由此电子力作用在接触区域上，如图10(ii)所示。结合图10(i)和图10(ii)可知，电子能级的改变可以实现电负性摩擦层的电学输出不断增加。

特别地，本发明还提供了一种可穿戴设备，包括上述的摩擦纳米发电机，用于为所述可穿戴设备供电。该可穿戴设备可集成可穿戴显示器、电子皮肤、分散式传感器等柔性器件，摩擦纳米发电机可以收集人体运动所产生的机械能，将其转化为足够的电能，为该可穿戴设备供电。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

电负性摩擦层，其为利用静电纺丝方法制备而成的聚合物纤维网状膜；

电荷增强输出层，其为还原氧化石墨烯膜，或在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化膜，所述电荷增强输出层与所述电负性摩擦层连结在一起；

第一电极层，其形成在所述电荷增强输出层的表面上；

电正性摩擦层，其同时作为第二电极层；

所述电荷增强输出层和所述电负性摩擦层作为一个整体，其与所述第二电极层电连接且具有预设间距，且能够相互接触分离产生电荷；

其中，所述电荷增强输出层用于增强所述摩擦纳米发电机的电学输出。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述聚合物纤维网状膜的原材料为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一种或多种的混合物。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒，所述半导体纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用静电纺丝方法制备聚合物纤维网状膜，所述聚合物纤维网状膜作为电负性摩擦层；

制备获得还原氧化石墨烯溶液，或者制备获得在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液；

通过抽滤的方式将所述还原氧化石墨烯溶液或所述还原氧化石墨烯杂化溶液负载在所述聚合物纤维网状膜上，以在所述聚合物纤维网状膜上形成还原氧化石墨烯膜或还原氧化石墨烯杂化膜，所述还原氧化石墨烯膜或所述还原氧化石墨烯杂化膜作为电荷增强输出层；

在所述电荷增强输出层的表面上形成第一电极层；

制备获得电正性摩擦层，所述电正性摩擦层作为第二电极层；

将所述电荷增强输出层和所述电负性摩擦层作为一个整体，使其与所述第二电极层电连接并形成预设间距，从而获得摩擦纳米发电机。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述利用静电纺丝方法制备聚合物纤维网状膜，包括如下步骤：

将质量浓度为8-15％的聚合物分散到溶剂中，获得聚合物前驱体溶液；

将所述聚合物前驱体溶液加入针筒，利用注射泵控制注射速度为0.6-0.8mL/h，控制所述针筒的针尖到接收端的距离为10-15cm，以及在所述针尖和所述接收端之间加12-15kV高压，以在所述接收端得到纤维，并随时间累积获得纤维网状膜坯料；

将所述纤维网状膜坯料在145-170℃下进行预氧化，从而获得所述聚合物纤维网状膜。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的一种或多种的混合物。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述通过抽滤的方式将所述还原氧化石墨烯溶液或所述还原氧化石墨烯杂化溶液负载在所述聚合物纤维网状膜上的步骤中，所抽滤的所述还原氧化石墨烯溶液或所述还原氧化石墨烯杂化溶液的体积为5-20ml。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备获得还原氧化石墨烯溶液，包括如下步骤：

提供氧化石墨烯，将所述氧化石墨烯溶解在去离子水中并超声，获得均相溶液；

将所述氧化石墨烯的还原剂加入所述均相溶液中进行搅拌混合，从而获得还原氧化石墨烯溶液。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备获得在还原氧化石墨烯上负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液，还包括如下步骤：

向所述还原氧化石墨烯溶液中加入金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的前驱体溶液和所述前驱体溶液的还原剂，并搅拌，从而获得负载有金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒的还原氧化石墨烯杂化溶液。

10.一种可穿戴设备，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的摩擦纳米发电机，用于为所述可穿戴设备供电。