能源在人类生活中扮演着非常重要的角色,现阶段能源的消耗主要依赖于传统化石能源,这是一种有限的、非可再生的能源。随着化石能源的不断开采和枯竭,迫切需要寻找一些新型的能源形式。人们日常生活环境中无处不在的机械能,形式丰富多样,受环境因素影响较小,是潜在的能够大规模应用的能源之一。但是,机械能收集的方式大都基于传统的电磁发电机,而电磁发电机因其自身的工作原理所限,难以有效收集环境中低频、随机的能源。作为新型能源收集装置,摩擦纳米发电机（TENG）凭借着能量密度大、转换效率高、质量轻、成本低、选材广泛、可规模化等诸多优点,在微纳机械能的收集领域成为了科研人员的研究热点。自2012年发明以来,关于摩擦纳米发电机的报道层出不穷,能够从生物运动、机械振动、波浪、气流等多种多样的机械能中获得能量,可以为便携式电子终端、环境检测、医药研究、能源转换等提供自供电和自驱动器件,展现了良好的应用前景。要继续进一步地发展摩擦纳米发电机,需要深入研究其工作原理,进一步拓展其应用范围,使其能够实现商业化,从而改变人们获取能源的方式,改善人类生存环境。要利用摩擦纳米发电机实现实际应用,需要从材料性能优化与器件结构设计出发,提高摩擦纳米发电机的电输出特性与能量转换效率。此外,还要考虑设计的摩擦纳米发电机的工艺性、稳定性、环保性以及成本等特性,从而使其适应于各种不同的应用需求。本论文以材料性能优化与结构设计为原始出发点,旨在提高摩擦纳米发电机输出性能,探索其在自供能系统领域的一些新颖功能应用。在摩擦电极材料性能优化方面,本论文分别从材料表面成分改性（氟硅烷改性）和材料纳米结构构筑（静电纺丝制备纳米纤维）两个方面入手研究,通过增强电极摩擦电荷密度来提高摩擦纳米发电机的输出性能。在器件设计方面,本论文基于所研究的摩擦电材料构建了不同结构的摩擦纳米发电机,研究了器件参数对性能的影响,并探索了器件在不同自供能系统中的应用。本论文主要工作如下:构建了一种基于固体废弃物的接触-分离式摩擦纳米发电机。该发电机以废弃橡胶粉作为负摩擦电极材料,通过对橡胶粉颗粒氟化改性极大地提高了纳米发电机的输出性能。接枝在橡胶粉颗粒表面的氟硅烷极大地增强了橡胶颗粒表面的电负性,使其作为摩擦电极材料时可产生更多的摩擦电荷,从而提高了摩擦纳米发电机的输出特性。设计了一种磁力驱动的非接触式磁电-摩擦电混合纳米发电机。该混合发电机集成了接触-分离式摩擦纳米发电机与电磁发电机。在摩擦纳米发电机中,以磁性Fe₃O₄纳米颗粒嵌入的聚偏二氟乙烯（Fe₃O₄@PVDF）纳米纤维膜作为负摩擦电材料,使其可以通过外磁场变化非接触式地触发驱动。将同一机械能同时通过不同形式转换为电能,可以通过外磁场变化非接触式地触发同时驱动摩擦纳米发电机与电磁发电机。基于电磁-摩擦电混合纳米发电机构建了可穿戴的自供能系统,将收集的人体运动能量转换为电能,并存储在储能器件中可以用来驱动一些小功率电子产品持续正常地工作。这一设计为用于可穿戴电子的复合自供能系统的研究开辟了一条新的途径。开发了一种柔性的可穿戴的自充电能源织物,该器件由一个储存能源的纤维状非对称超级电容器和收集能源的摩擦纳米发电机织物所组成。其中,摩擦纳米发电机织物由一根单电极型的纤维状摩擦纳米发电机通过传统纬编工艺构筑而成。整个系统都由纤维状器件编织而成,因此可以任意变形,并且可以将多种形式的运动机械能转换为电能。纤维状超级电容器是以碳纤维束为集流体,碳纤维束上电沉积Co₃O₄纳米片作为负极,活性炭作为正极的全固态非对称超级电容器。该自充电能源织物能有效地收集人体运动机械能并将转换的电能存储在储能器件中为电子产品供能。设计了一种同轴型旋转式的摩擦纳米发电机（CRF-TENG）。该发电机可以通过同轴的转子和定子的相对转动将转动机械能转换为电能。基于CRF-TENG构建了理论模型,并通过有限元仿真揭示了CRF-TENG工作的物理机制。然后通过数学模型的建立及理论方程的解析得到了CRF-TENG的理论输出特性。通过实验测试了制备的CRF-TENG输出特性,对比了实验结果与理论结果。基于制备的CRF-TENG构建了风能收集器,展现了这种摩擦纳米发电机在环境机械能收集方面的应用潜力,并展望了其在自供能系统中的应用前景。基于同轴旋转式摩擦纳米发电机构建了一种风能收集器。其中以静电纺丝纳米纤维作为摩擦电材料。该器件可以高效地将环境中的风能转化为电能。将该器件与电解水结合构建了一种自供能电解水产氢系统。可以将环境中的风能转换为电能并通过变压整流后电解离子溶液产生氢气,用于新型清洁能源的制备。通过气体循环系统与气相色谱结合定量地表征了自供能电解水系统的产氢率。该工作不仅提出了一种环境友好、工艺简单、成本低廉的微型风力发电装置,也为新型清洁能源的大规模制备提供了新的途径。