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  近年來，柔性可穿戴設備憑借其便攜性、靈活性、多功能性等優勢，在健康監測、運動追蹤、能量收集、可穿戴技術等領域展現出廣闊的應用前景。然而，傳統可穿戴電子設備因需要頻繁更換電池或充電，限制了其使用效率和應用范圍。摩擦納米發電機（TENG）通過利用摩擦起電與靜電感應的耦合效應，將機械能轉化為電能，為可穿戴電子設備提供自供電支持。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域后得到的甲殼素納米晶（ChNCs），具有優異的分散性、粘合性和化學穩定性等。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性的單電極摩擦納米發電機（PC-TENG）。該器件可用于自供電的人體運動監測和觸覺感知，在可穿戴能量收集技術中展現出良好的應用前景。

  近日，暨南大學化學與材料學院劉明賢教授團隊制備了一種基于甲殼素納米晶（ChNCs）和聚吡咯（PPy）的導電復合材料PPy@ChNCs，然后采用PDMS封裝制備了以PPy@ChNCs作為液態電極的單電極摩擦納米發電機（PC-TENG），并通過皮膚的接觸分離實現器件發電及多功能應用。該研究成果以“Surface modification of chitin nanocrystals using conducting polymer for triboelectric nanogenerator”為題發表在Nano Energy （影響因子16.8，一區TOP）期刊上。碩士生馬創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）力學性能測試。（d）分散穩定性驗證。（e）液滴分散性驗證。（f）不同懸浮液電導率。（g）不同懸浮液在兩種材料上的接觸角。

圖3 單電極摩擦納米發電機的機理與表征。（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理。（c）不同PPy@ChNCs質量比的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）循環穩定性測試。（b）不同材料接觸產生的電壓。（c）負載不同的外部電阻產生的輸出電壓和電流。（d）根據（c）計算出的功率密度。（e）PC-TENG自供電電路示意圖。（f）對不同電容器的充電能力。（g）點亮98個LED燈泡。

圖5 PC-TENG通過電壓信號變化實現的運動傳感性能。（a）手腕彎曲，（b）肘部彎曲，（c）膝蓋彎曲，（d）頸部運動，（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并引發聚合，成功制備了具有優異穩定性的導電PPy@ChNCs復合材料。利用ChNCs顯著提高了PPy在懸浮液中的分散性，使復合材料具備穩定的電化學性能。以PDMS作為摩擦層，PPy@ChNCs懸浮液作為液態電極，設計并構建了一種單電極摩擦納米發電機（PC-TENG）。實驗結果表明，當ChNCs與PPy的質量比為1:2時，PC-TENG表現出最高的輸出性能和快速的響應速度。在經過1000次接觸分離循環后，PC-TENG依然表現出穩定的輸出性能。此外，該器件可為電容器充電，實現能量收集，并通過自供電系統成功用于人體運動監測和觸覺感知。總之，由良好生物相容性的ChNCs與優異導電性的PPy制備的PC-TENG，在智能可穿戴傳感器領域展現出廣闊的應用前景。

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