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16.8，一区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。

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。

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。

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。

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。

  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。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110660