近年来，柔性可穿戴设备凭借其便携性、灵活性、多功能性等优势，在健康监测、运动追踪、能量收集、可穿戴技术等领域展现出广阔的应用前景。然而，传统可穿戴电子设备因需要频繁更换电池或充电，限制了其使用效率和应用范围。摩擦纳米发电机（
TENG
）通过利用摩擦起电与静电感应的耦合效应，将机械能转化为电能，为可穿戴电子设备提供自供电支持。
甲壳素是地球上仅次于纤维素的第二大天然多糖，通过酸水解去除其无定形区域后得到的甲壳素纳米晶（
ChNCs
），具有优异的分散性、粘合性和化学稳定性等。在本研究中，通过将聚吡咯（
PPy
）
合成
到
甲壳素纳米晶
（
ChNCs
）表面，制备了一种
具有
多功能、
高柔韧
性
和快速
响应
性
的单电极
摩擦纳米发电机（
PC-TENG
）。该器件可用于自供电的人体运动监测和触觉感知，在可穿戴能量收集技术中展现出良好的应用前景。
近日，
暨南大学化学与材料学院刘明贤教授团队
制备了一种基于甲壳素纳米晶（
ChNCs
）和聚吡咯（
PPy
）的导电复合材料
PPy@ChNCs
，然后采用
PDMS
封装制备了以
PPy@ChNCs
作为液态电极的单电极摩擦纳米发电机（
PC
-
TENG
），并通过皮肤的接触分离实现器件发电及多功能应用
。该研究成果以
“
Surface modification of chitin nanocrystals using conducting polymer for triboelectric nanogenerator
”
为题发表在
Nano Energy
（
影响因子
1
6
.
8
，一区
TOP
）
期刊上
。
硕士生
马创池
为该论文第一作者，刘明贤教授为唯一通讯作者。
图
1a
展示了
PPy@ChNCs
悬浮液的制备过程。
首先，将
ChNCs
超声分散于酸性溶液中，然后加入吡咯（
Py
），使其吸附在
ChNCs
表面。接着，添加引发剂以引发聚合，使
PPy
聚合在
ChNCs
表面。
将制备好的粉末通过超声分散在水中，通过
TEM
观察到，
PPy
成功聚合
在
ChNCs
表面
。
PPy
吸附在
ChNCs
表面后，其
zeta
电位低于
ChNCs
悬浮液，但整体上仍保持较高的
zeta
电位，保证了
PPy@ChNCs
在水介质中的胶体稳定性。
拉曼光谱、红外光谱及
XRD
测试表明了
PPy
聚合到
ChNCs
表面且未对原材料结构造成破坏。
图
1
PPy@ChNCs
的合成与表征。（
a
）
PPy@ChNCs
的制备示意图。（
b
）超声制备的
PPy@ChNCs
悬浮液。（
c
）
TEM
图像显示
PPy
附着在
ChNCs
表面。
ChNCs
、
PPy@ChNCs
和
PPy
的（
d
）
Zeta
电位，（
e
）拉曼光谱，（
f
）
FTIR
，（
g
）
XRD
，（
h
）
XPS
全谱
图
。
PC-TENG
的制备过程和外观如图
2a
、
b
所示。
力学性能测试表明，
PDMS
作为封装层具有优异的韧性和拉伸强度。
通过静置和滴入两种方式验证了复合材料的良好分散性；同时，
PPy
的引入显著提高了复合材料的导电性。在
PDMS
基底上测试不同悬浮液的接触角发现，当
PPy
与
ChNCs
的质量比为
2:1
时，悬浮液与
PDMS
的接触性能达到最佳，
与后续实验中的输出性能表现结果一致。
图
2 PC-TENG
的制备与表征。（
a
）
PC-TENG
制备示意图。（
b
）制备的
PC-TENG
。（
c
）力学性能测试。（
d
）分散稳定性验证。（
e
）
液滴分散性验证
。（
f
）不同悬浮液电导率。（
g
）不同悬浮液在
两种材料
上的接触角。
PC-TENG
的工作原理
结合了摩擦起电和静电感应机制。
当两种不同的材料接触时，会发生电荷分离，如图
3a
所示。
PPy@ChNCs
作为液体电极的摩擦电机理如图
3b
所示。
对使用不同悬浮液制备的
TENG
进行测试发现，当
ChNCs
与
PPy
的质量比为
1:2
时，所制备的
PC-TENG
表现出最优异的输出性能。在不同作用力下测试器件时，输出性能随着作用力的增加而提高；而在不同按压频率下测试时，输出性能随着频率的增加而降低
。
图
3
单电极摩擦纳米发电机的机理与表征。（
a
）单电极模式下
PC-TENG
的工作原理。（
b
）液体电极的固液双层摩擦电机理。（
c
）不同
PPy@ChNCs
质量比的
ChNCs-TENG
和
PC-TENG
的输出电压和电流。（
d
）不同外界压力下
PC-TENG
的输出电压和电流。（
e
）不同接触频率下
PC-TENG
的输出电压和电流。
如图
4a
所示，实验对器件进行了
1000
次循环测试，结果表明
，
PC-TENG
在此范围内表现出优异的稳定性
。同时，为了观察
PC-TENG
是否能感知不同的物体，选取了不同的材料进行测试，比如常见的玻璃、纸张、
PP
、
PET
和
NBR
等物体。结果表明，
PC-TENG
在与不同材料接触时会输出不同的电压值
。为了测定
PC-TENG
的输出功率，设计并测试了电路，采用了
10
3
~10
9
W
范围
的
不同
电阻。
根据欧姆定律可知，随着电路中负载电阻的增加，器件输出电压会增加，电流会减小，如图
4c
所示。图
4d
显示了
PC-TENG
的输出功率密度与负载电阻的关系
，
当
负载
电阻增加到
7 M
W
时，
PC-TENG
的瞬时输出功率密度达到最大值
353 mW/m
2
。
为了验证
PPy@ChNCs
悬浮液作为
PC-TENG
液态电极在实际应用中的可行性，
构建了包含整流桥、电容器、灯泡和电压表的
PC-TENG
自供电系统（图
4e
）。
PC-TENG
产生的交流电经整流桥转换为直流电，并进一步对电容器充电。结果表明，随着电容器容量的增加，充电速度逐渐减慢。此外，
PC-TENG
的功率输出能够同时点亮
98
个
LED
灯泡，表明其在低频能量收集领域具有巨大的应用潜力。
图
4 PC-TENG
的输出性能。（
a
）循环稳定性测试。（
b
）不同材料接触产生的电压。（
c
）
负载
不同的外部电阻产生的输出电压和电流。（
d
）根据（
c
）计算出的功率密度。（
e
）
PC-TENG
自供电电路
示意图。（
f
）
对
不同电容器的充电能力。（
g
）点亮
98
个
LED
灯泡。
基于
PC-TENG
的稳定性和响应灵敏度，可以将获得的机械能转化为电能输出电信号，因此可以用来监测人体关节的运动。将
PC-TENG
贴附在膝盖、肘部等关节上，关节的弯曲和伸直会导致皮肤与其接触和分离，并因接触面积和施加压力的变化而产生不同的电信号，实现对关节运动的实时监测
。这
为自供电可穿戴传感器提供了一种
简便而高效的解决方案。此外，
PC-TENG
对每一个关节运动和小
幅度
运动都表现出快速稳定的信号输出，进一步验证了
其在
自供电可穿戴传感器
中的潜力
，
可以
实现实时运动
的
监测。
图
5
PC-TENG
通过电压信号变化实现的运动
传感
性能。（
a
）手腕弯曲
，
（
b
）肘部弯曲
，
（
c
）膝盖弯曲
，
（
d
）颈部运动
，
（
e
）脸颊鼓起
，
（
f
）手指在
0
o
、
45
o
和
90
o
处弯曲。
利用
PC-TENG
的快速响应性，结合信息传输系统，对
摩斯密码
信息进行编码，将短时间按压形成的峰值信号定义为
“·”
，将长时间按压形成的平峰值信号定义为
“-”
，从而
实现摩斯电码的演示
。根据
摩斯密码
的编码原理，将字母
“A-Z”
与
“·”
和
“-”
进行匹配。
通过在两个信号之间设置停顿，并交替进行长短时间的按压，可生成重复且稳定的电信号，从而实现信息传输。此外，当用笔尖在器件表面书写时，由于书写习惯的不同，
PC-TENG
会输出具有特定峰形和电压信号的响应。利用这一特性，该器件还可用于身份识别
。
图
6 PC-TENG
的触觉感应。
(a) PC-TENG
用于摩尔斯电码编译的工作原理。
(b)
摩尔斯电码中
“A-Z”
的对应符号。
(c-k)
手指按压时与
“I LOVE JNU”
对应的摩尔斯电码。
(
l
)
表面笔迹示意图。
(m-q)
用于检测不同笔迹细节的可重复电压信号。
本研究通过在
ChNCs
表面吸附
Py
并
引发聚合
，成功制备了具有优异稳定性的导电
PPy@ChNCs
复合材料。利用
ChNCs
显著提高了
PPy
在悬浮液中的分散性，使复合材料具备稳定的电化学性能。以
PDMS
作为摩擦层，
PPy@ChNCs
悬浮液作为液态电极，设计并构建了一种单电极摩擦纳米发电机（
PC-TENG
）。
实验结果表明，当
ChNCs
与
PPy
的质量比为
1:2
时，
PC-TENG
表现出最高的输出性能和快速的响应速度。在经过
1000
次接触分离循环后，
PC-TENG
依然表现出稳定的输出性能。此外，该器件可为电容器充电，实现能量收集，并通过自供电系统成功用于人体运动监测和触觉感知。
总之，由良好生物相容性的
ChNCs
与优异
导电性
的
PPy
制备的
PC-TENG
，在智能可穿戴传感器领域展现出广阔的应用前景。
该论文得到了国家自然科学基金
（
52073121
）、
佛山国家高新技术产业开发区产业化创业团队计划
（
2220197000129
）
项目
和中央高校基础研究基金（
21624115
）的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110660
相关进展
