专栏名称: 高分子科技

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青岛大学逄尧堃教授团队连发 Nano Energy/CEJ: 在海洋多糖基摩擦纳米发电机领域发表重要成果

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-02-28 11:57

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在全球环境问题日益加剧的背景下，摩擦纳米发电机（ TENG ）作为新型环境友好型能量采集技术，正日益受到广泛关注。尽管该技术在机械能 - 电能转换领域展现出革命性潜力，但目前 TENG 多采用石油基高分子材料，这种材料选择与可持续发展的核心理念存在本质矛盾。因此，开发绿色环保型的生物基摩擦电材料以应用于 TENG 显得尤为迫切和重要。 青岛大学逄尧堃教授团队 致力于海洋生物质摩擦电材料的开发与利用，近期接连在 Nano Energy 和 CEJ 发表重要研究成果，推动了海洋多糖基摩擦材料的发展。

Nano Energy ：通过氨基修饰与金属离子络合制备具有高表面电荷密度的海藻酸盐正摩擦电材料

近年来，以壳聚糖、纤维素、海藻酸钠等天然物质为基础的可降解生物基材料，正引领绿色 TENG 技术的新发展方向。科研团队已开发了表面改性、结构优化等多种技术途径来提升其摩擦电性能，但现有研究成果显示，这类材料的性能提升幅度仍受材料本征特性限制。这促使学术界亟需通过创新性的材料设计与工程策略，系统突破生物基 TENG 的性能瓶颈。

近期，该团队创新性提出 " 氨基修饰 - 金属配位 " 多尺度调控策略，成功实现生物摩擦正电材料的性能跃升。通过分子接枝技术将聚乙烯亚胺（ PEI ）精准锚定于海藻酸钠（ SA ）基体，并协同铜离子配位工程，研制出具有三维网络结构的 SP-Cu 气凝胶薄膜。该材料在保持优异柔韧性和生物相容性的同时，创纪录地实现 205 μC·m ⁻ ² 的电荷密度，较纯 SA 材料提升 820% ，刷新生物基 TENG 材料性能指标。实验数据显示， 5×5 cm² 的 SP-Cu 薄膜构建的微型 TENG 装置可产生 3.5 kV 开路电压，峰值功率密度达 120 W·m ⁻ ² ，单器件即可驱动 9000 余 LED 阵列及 24W 级商业照明系统。此外，研究团队开发的旋转式 TENG 系统集成智能电源管理模块（ PMM ），在模拟风场环境中实现稳定能量捕获与存储，成功构建智能农业物联传感网络的离网供能原型，为农业 4.0 提供了可再生的分布式能源解决方案。该成果以 “Fabrication of alginate-based bio-tribopositive films via amine modification and metal ion coordination for high surface charge density” 为题发表在 Nano Energy 上。

图 1 ： SP-Cu 气凝胶薄膜的结构和性能优势。

图 2 ： SP-Cu 气凝胶薄膜的制备和材料性质。

图 3 ： SP-Cu 基 TENG 的电性能表征。

图 4 ：旋转 TENG 设备在智能农业中的应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110677

CEJ ：基于 NH ₂ -MXene/TiO ₂ @ 海藻酸盐的摩擦纳米发电机的构建及其在金属防腐蚀的应用

随着全球能源危机加剧，开发太阳能、热能、风能和机械能等可再生能源成为迫切需求。其中，机械能因不受季节、昼夜和气候限制而备受关注。摩擦纳米发电机（ TENG ）作为一种高效、低成本、轻量化的机械能收集技术，在微纳能源、自供电传感器等领域广泛应用。然而，传统 TENG 多采用不可降解的合成塑料（如 PTFE 、 PDMS ），其废弃物处理问题（尤其在海洋环境中）亟待解决，因此有必要提出一种在未来可以取代合成塑料的绿色基摩擦纳米材料。

针对于上述问题，青岛大学逄尧堃教授团队结合在摩擦纳米发电机领域的多年深耕，设计出一种基于 NH ₂ -MXene/TiO ₂ @ 海藻酸盐复合膜的摩擦纳米发电机（ NMTS-TENG ）并将其运用在金属电化学防护。该设计通过水热法合成氨基化 MXene ，增加复合材料的供电子基团，并形成大量的微电容，有利于提高复合电介质的介电性能和表面电荷的生成和保持。通过协同纳米 TiO ₂ ，进一步提高了海藻酸钠基复合薄膜的摩擦正电性能。最后，团队设计了一种弹簧辅助的多层摩擦纳米发电器件，组建了新型阴极保护系统，通过收集海水波浪能量实现了金属电极的防腐蚀保护。该工作为高性能绿色 TENG 的开发及海洋环境中的金属防护提供了新思路，推动了海藻酸钠在电化学领域的应用。相关工作以 “High-performance triboelectric nanogenerator based on NH ₂ -MXene/TiO ₂ @sodium alginate composite film for self-powered cathodic protection” 为题发表在 Chemical Engineering Journal 上。

图 1 ： NH ₂ -MXene/TiO ₂ @SA 复合薄膜的制备。

图 2 ： NMTS-TENG 的摩擦电性能。

图 3 ： NMTS-TENG 的供电能力。

图 4 ：基于 NMTS-TENG 的能量收集器件用于金属的电化学防护

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159837

青岛大学逄尧堃教授团队连发 Nano Energy/CEJ: 在海洋多糖基摩擦纳米发电机领域发表重要成果

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