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  近年來，柔性可穿戴設(shè)備憑借其便攜性、靈活性、多功能性等優(yōu)勢(shì)，在健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)追蹤、能量收集、可穿戴技術(shù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)可穿戴電子設(shè)備因需要頻繁更換電池或充電，限制了其使用效率和應(yīng)用范圍。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）通過利用摩擦起電與靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為可穿戴電子設(shè)備提供自供電支持。甲殼素是地球上僅次于纖維素的第二大天然多糖，通過酸水解去除其無定形區(qū)域后得到的甲殼素納米晶（ChNCs），具有優(yōu)異的分散性、粘合性和化學(xué)穩(wěn)定性等。在本研究中，通過將聚吡咯（PPy）合成到甲殼素納米晶（ChNCs）表面，制備了一種具有多功能、高柔韌性和快速響應(yīng)性的單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)（PC-TENG）。該器件可用于自供電的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和觸覺感知，在可穿戴能量收集技術(shù)中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

  近日，暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院劉明賢教授團(tuán)隊(duì)制備了一種基于甲殼素納米晶（ChNCs）和聚吡咯（PPy）的導(dǎo)電復(fù)合材料PPy@ChNCs，然后采用PDMS封裝制備了以PPy@ChNCs作為液態(tài)電極的單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)（PC-TENG），并通過皮膚的接觸分離實(shí)現(xiàn)器件發(fā)電及多功能應(yīng)用。該研究成果以“Surface modification of chitin nanocrystals using conducting polymer for triboelectric nanogenerator”為題發(fā)表在Nano Energy （影響因子16.8，一區(qū)TOP）期刊上。碩士生馬創(chuàng)池為該論文第一作者，劉明賢教授為唯一通訊作者。

圖1 PPy@ChNCs的合成與表征。（a）PPy@ChNCs的制備示意圖。（b）超聲制備的PPy@ChNCs懸浮液。（c）TEM圖像顯示PPy附著在ChNCs表面。ChNCs、PPy@ChNCs和PPy的（d）Zeta電位，（e）拉曼光譜，（f）FTIR，（g）XRD，（h）XPS全譜圖。

圖2 PC-TENG的制備與表征。（a）PC-TENG制備示意圖。（b）制備的PC-TENG。（c）力學(xué)性能測(cè)試。（d）分散穩(wěn)定性驗(yàn)證。（e）液滴分散性驗(yàn)證。（f）不同懸浮液電導(dǎo)率。（g）不同懸浮液在兩種材料上的接觸角。

圖3 單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)的機(jī)理與表征。（a）單電極模式下PC-TENG的工作原理。（b）液體電極的固液雙層摩擦電機(jī)理。（c）不同PPy@ChNCs質(zhì)量比的ChNCs-TENG和PC-TENG的輸出電壓和電流。（d）不同外界壓力下PC-TENG的輸出電壓和電流。（e）不同接觸頻率下PC-TENG的輸出電壓和電流。

圖4 PC-TENG的輸出性能。（a）循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。（b）不同材料接觸產(chǎn)生的電壓。（c）負(fù)載不同的外部電阻產(chǎn)生的輸出電壓和電流。（d）根據(jù)（c）計(jì)算出的功率密度。（e）PC-TENG自供電電路示意圖。（f）對(duì)不同電容器的充電能力。（g）點(diǎn)亮98個(gè)LED燈泡。

圖5 PC-TENG通過電壓信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)傳感性能。（a）手腕彎曲，（b）肘部彎曲，（c）膝蓋彎曲，（d）頸部運(yùn)動(dòng)，（e）臉頰鼓起，（f）手指在0^o、45^o和90^o處彎曲。

  本研究通過在ChNCs表面吸附Py并引發(fā)聚合，成功制備了具有優(yōu)異穩(wěn)定性的導(dǎo)電PPy@ChNCs復(fù)合材料。利用ChNCs顯著提高了PPy在懸浮液中的分散性，使復(fù)合材料具備穩(wěn)定的電化學(xué)性能。以PDMS作為摩擦層，PPy@ChNCs懸浮液作為液態(tài)電極，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)（PC-TENG）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)ChNCs與PPy的質(zhì)量比為1:2時(shí)，PC-TENG表現(xiàn)出最高的輸出性能和快速的響應(yīng)速度。在經(jīng)過1000次接觸分離循環(huán)后，PC-TENG依然表現(xiàn)出穩(wěn)定的輸出性能。此外，該器件可為電容器充電，實(shí)現(xiàn)能量收集，并通過自供電系統(tǒng)成功用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和觸覺感知。總之，由良好生物相容性的ChNCs與優(yōu)異導(dǎo)電性的PPy制備的PC-TENG，在智能可穿戴傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110660