我院于淑国副教授团队在《Chemical Engineering Journal》发表重要研究成果

柔性电子产品在复杂多变的环境中无法持续供电已成为制约其发展的关键问题。因此，寻找柔性电源器件和便携式能源已成为实现电子产品完全柔性的可行解决方案。柔性可穿戴能量收集设备通过收集机械运动产生的能量，产生可持续的绿色能源来运行可穿戴电子设备，已成为克服限制可穿戴电子设备运行时间和电池连续充电等挑战的有效途径。基于摩擦电效应的纳米发电机（TENG）因其高能量转换效率、柔性几生物兼容性被视为理想的解决方案。为此，本研究合成了一种基于普通辐射屏蔽织物 (PET-Cu-Ni)负载多壁碳纳米管 (MWCNT) 的正摩擦层，并与 PDMS 组装成具有超疏水柔性的柔性摩擦纳米发电机。此外，开发了一种远程人机界面（HMI）系统，实现了对手指健康程度的实时监测。

目前，TENG输出电学性能的改善方法主要在于改进正负极的摩擦电材料。为了提高负极材料的电荷积累和输运能力，研究人员通过微观形貌调制和高电性材料负载等方法研究多种负极摩擦电材料。然而，对正摩擦材料的研究相对较少。为此，本研究构建了一种高输出电性的TENG正摩擦层，并研究了其对提高TENG输出性能的影响，探讨了TENG在柔性传感中的适用性。通过在无纺布PET-Cu-Ni表面负载MWCNT，并与纳米砂纸打磨的PDMS薄膜组装，制备了无毒柔性摩擦纳米发电机PM-TENG。PM复合膜良好的导电性使其具有摩擦电层和电极的双重作用，不仅增加了摩擦电极界面的接触面积改善了电荷的产生，其超疏水性同时有效地防止了TENG表面静电电荷损失的问题（水分子接触角为132.3°），促进了电性能的稳定输出。将MWCNT与Cu-Ni层构建了金属-半导体结，MWCNT层作为空穴输运层影响摩擦电荷分离，减少摩擦电荷损失。同时，PET-Cu-Ni中的双金属原子Cu-Ni层提高了摩擦电材料的导电性和电子传递能力。

图1. （a, b）PM的SEM图像。（c-h） PM的EDS映射谱。（i，j）H2O与 PET-Cu-Ni和PM的接触角

通过对PM复合薄膜中MWCNT负载量和PMDS薄膜厚度的调控，发现MWCNT负载量和PMDS薄膜厚度分别为0.15%和2 mm使，该器件5Hz的工作频率下V_oc和I_sc 高达231V和13.7μA。PM-TENG在外部负载电阻达到100 MΩ时，其最大瞬态输出功率为2.8 mW。与未优化的TENG相比，PM-TENG将开路电压和短路电路分别提高到原来的1.5倍和2.3倍。

图2. （a-e） PM-TENG的Voc、Isc、转移电荷（Qsc）、电流密度（J）和电荷密度（f）PM-TENG在不同电阻下的峰值电流、峰值电压和（g）峰值功率。（h-i）PM-TENG在15min内Voc和Isc的输出稳定性

在生物医学中，手指弯曲度和反应性是测量人体功能或损伤的重要依据。皮肤表面的汗腺会产生大量的水分子，这会影响 TENG 的电输出性能。本研究制备的 PM 薄膜具有良好的疏水性，可以有效防止表面产生的静电荷的损失，并将保证手指曲率检测的准确性。为了实现柔性电源器件、便携式能源和自驱动传感器的集成式发展，本研究将PM-TENG、电路模块和远程信号接收APP相集成，构建了一个远程监测手指曲率的人机界面系统（HMI），实现对手指弯曲度的实时监控。本研究不仅为制备具有高输出电性能的TENG提供了新的思路，而且促进了TENG在柔性电子传感中的应用。

图3.  PM-TNGW在手指弯曲度监测中的应用：(a)信号无线传输和APP接收原理图，(b)电路图物理图，(c)电路图，(d)无线信号传输物理图

1.本研究将MWCNT的正电荷特性与PET-Cu-Ni双金属导电层相结合，通过界面调控增强了电荷分离效率，并设计了一种高疏水的柔性薄膜。

2.构建了一个远程监测手指曲率的人机界面系统，实现对手指弯曲度的实时监控。超疏水特性的TENG保证了其在复杂环境中（汗液、潮湿）的电信号的稳定性，推动了可穿戴传感器在医疗监测领域的实际应用。

3.提出了一种柔性电源器件和便携式能源的可行解决方案，为无电池化电子设备的供电问题提供了解决方案，促进了可持续绿色能源的发展。

本研究得到了新疆维吾尔自治区“天池英才”引进计划青年博士项目（Grant No. XJEDU2025P002）的资助。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162385