研究背景

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，移動終端、可穿戴電子設(shè)備和傳感器等創(chuàng)新產(chǎn)品越來越多地融入我們的日常生活。這些技術(shù)不僅加速了信息和資源的整合與共享，還推動人類進入了一個智能化和互聯(lián)的時代。然而，在這些技術(shù)進步的背后，確保這些設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定的能源供應(yīng)仍然是一個重大挑戰(zhàn)。目前，電池是這些設(shè)備的主要能源，雖然具有易于制備和成本效益高的優(yōu)點，但其有限的使用壽命、難以準確監(jiān)控電量以及需要定期更換等局限性不容忽視。因此，對自供能設(shè)備的需求變得越來越迫切。納米發(fā)電機（Nanogenerators, NGs）作為一種能夠高效收集多種能源并將其轉(zhuǎn)化為電能以實現(xiàn)自供能的設(shè)備，顯示出巨大的潛力。

湖南工業(yè)大學(xué)許建雄教授團隊開發(fā)了一種兼具韌性、可拉伸性和抗菌活性的BaTiO?摻雜水凝膠（O/P/Fe-BTO水凝膠），并將其用作電極材料構(gòu)建壓電-摩擦電混合納米發(fā)電機（PTENG）。該水凝膠展現(xiàn)出卓越的機械性能（拉伸應(yīng)力2.14 MPa，拉伸應(yīng)變876%，韌性9.96 MJ/m3）、良好的導(dǎo)電性（0.14 S/m）和優(yōu)異的抗菌活性。基于O/P/Fe-BTO水凝膠的PTENG表現(xiàn)出優(yōu)異的電輸出性能（開路電壓222 V，短路電流5.35 μA）。通過有限元模擬，驗證了PTENG的發(fā)電機制，其輸出性能優(yōu)于單獨的壓電納米發(fā)電機（PENG）和摩擦電納米發(fā)電機（TENG）。PTENG在自供能應(yīng)變傳感器中表現(xiàn)出色，能夠檢測人體關(guān)節(jié)運動；在自供能觸覺傳感器中，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定且可重復(fù)的電信號，用于書寫識別。

圖1. O/P/Fe-BTO水凝膠的合成與表征。(a) O/P/Fe-BTO水凝膠制備過程示意圖。(b) BTO、OSA、P(AA-co-AM)和O/P/Fe-BTO水凝膠的FT-IR光譜。(c) O/P/Fe-BTO水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像。(d-g) O/P/Fe-BTO水凝膠中C、N、Ba和Fe的元素分布圖像。

圖2. O/P/Fe-BTO水凝膠的機械性能。(a) O/P/Fe-BTO水凝膠的實際照片：(I)拉伸，(II)扭轉(zhuǎn)拉伸，(III)刺穿，(IV)提起重物（1 kg）。不同BTO含量水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(b)與對應(yīng)韌性和彈性模量(c)。(d) O/P/Fe-BTO1.14水凝膠在不同拉伸應(yīng)變下的循環(huán)加載曲線。(e) O/P/Fe-BTO1.14水凝膠在400%拉伸應(yīng)變下的循環(huán)拉伸照片。(f) O/P/Fe-BTO1.14水凝膠在400%應(yīng)變下循環(huán)加載-卸載100次的拉伸曲線及其(g)對應(yīng)的最大應(yīng)力演變。(h) O/P/Fe-BTO1.14水凝膠在80%應(yīng)變下循環(huán)加載-卸載20次的壓縮曲線及其(i)對應(yīng)的最大應(yīng)力演變。

圖3. O/P/Fe-BTO水凝膠的抗菌活性。(a) 不同處理后大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在瓊脂平板上的菌落照片。(b, c) 不同BTO含量的水凝膠對(b)大腸桿菌和(c)金黃色葡萄球菌的抗菌率。(d) O/P/Fe-BTO水凝膠破壞細菌細胞壁的機制。

圖4. O/P/Fe-BTO水凝膠的電學(xué)行為。不同BTO含量的水凝膠的(a)電化學(xué)阻抗譜與(b)電導(dǎo)率。(c) 實際電路照片。中間插圖是水凝膠供電電池的電路圖。(d) 不同BTO含量的Ecoflex-水凝膠復(fù)合膜的介電常數(shù)。

圖5. PTENG的構(gòu)建及其輸出性能。(a) 基于O/P/Fe-BTO水凝膠的PTENG結(jié)構(gòu)。(b) PTENG發(fā)電機制示意圖。(c) PENG、TENG和PTENG的開路電壓比較。(d)在30 N負載力下BTO的有限元模擬電位分布。(e) 有限元分析電位分布以說明PTENG的工作機制。(f-h) 不同BTO含量的PTENG的開路電壓、短路電流和轉(zhuǎn)移電荷。

圖6. PTENG的輸出性能。(a) 在不同工作推力下PTENG設(shè)備的開路電壓和短路電流。(b) 在不同頻率下PTENG的開路電壓和短路電流。(e-f) PTENG的輸出電壓、電流密度和功率密度對外部負載電阻（103–101?Ω）的依賴性。(g) 在30 N推力和4 Hz頻率下PTENG的性能穩(wěn)定性測試，持續(xù)4000個機械沖擊周期。

圖7. PTENG的應(yīng)用。(a-e) PTENG基自供能應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測不同人體運動和彎曲測量，包括手指、肘部、膝蓋和手腕關(guān)節(jié)的不同彎曲程度，以及腳部按壓。(f) PTENG用于檢測各種書寫特征的(g-k)可重復(fù)電壓信號。

論文以“Piezoelectric-triboelectric hybrid nanogenerator based on tough, stretchable BaTiO3 doped antibacterial hydrogel for self-powered sensors”為題發(fā)表在《Supramolecular Materials》上，通訊作者是湖南工業(yè)大學(xué)Lijian Xu、Qiao Zhang、Jianxiong Xu，Runi Hou為第一作者。

參考文獻

Piezoelectric-triboelectric hybrid nanogenerator based on tough, stretchable BaTiO3 doped antibacterial hydrogel for self-powered sensors

Runi Hou, Lijian Xu, Maolin Yu, Zengmin Tang, Bin Zhou, Qiao Zhang, Na Li, Jianxiong Xu

Supramolecular Materials 2025, 4, 100096

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667240525000054