中科院纳米能源所李琳琳&王中林团队《ACS Nano》：基于非对称结构压电水凝胶的高性能摩擦纳米发电机和生物传感

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近年来，柔性可穿戴电子器件在能量收集、生物传感、生理监测等领域的应用受到越来越多的关注，有广泛的应用空间。摩擦纳米发电机（TENG）可以收集人体随机运动的机械能并转化为电能，实现自驱动的生物传感和生理检测。制备具有良好的柔性、可拉伸性，能够匹配人体不同部位的TENG作为传感器是发展的趋势和目标。水凝胶材料由于高透明性、可拉伸性及其良好的生物相容性，在柔性电子学领域具有极大的应用潜力。以水凝胶为原材料，可以获得柔性可拉伸的TENG传感器件，但是由于材料高含水量等特点，如何提高TENG的输出性能，是器件实现高灵敏的生物传感的关键问题。其解决将有利于推动摩擦纳米发电机在智能电子，特别是柔性可穿戴电子器件上的应用。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员课题组和王中林院士合作，设计了一种具有非对称结构的压电水凝胶，具有压电性的钛酸钡（BTO）纳米颗粒仅掺杂在水凝胶膜的一侧。基于该压电水凝胶制得的摩擦纳米发电机（TENG）在应力应变下，通过产生压电电荷，提高了静电感应电荷的产生，从而提高了TENG的电输出性能。这项工作为设计性能优异灵敏度高的水凝胶TENG提供了一种新的思路。

图1. BTO压电水凝胶的合成步骤

图2. 基于压电水凝胶的TENG示意图, 工作原理及其在不同频率下的输出及对比图

通过调控BTO纳米颗粒的掺杂量，并用得到的导电水凝胶作为TENG的电极材料。与没有复合BTO的水凝胶及对称结构的BTO压电水凝胶相比，TENG的电输出性能分别提高了约5倍和4.5倍。且其电压和电量在不同频率下的输出保持一致，而电流随着频率的增加而增加。

图3. BTO水凝胶电极材料在不同应力下的输出及模拟

该TENG具有灵敏的力响应性，在很小的力(0.25 N)下也有一个较高的电输出，且随着力增加其输出也有很明显的增加，且具有良好的时间响应性。与纯水凝胶相比，压电水凝胶材料具有更好的拉伸响应性，回弹性及更高的灵敏度，最大可承受其本征长度8倍的拉伸，同时具有良好的柔性及韧性。基于压电水凝胶的TENG实现了多功能的生物传感，实现对人体多种运动的生理检测（图4）。所提出的高性能柔性可拉伸TENG在能量收集、电子皮肤、自供电传感器和人机交互等领域具有潜在应用。

图4 压电水凝胶材料的传感性能

近日，相关研究成果以 “Stretchable Unsymmetrical Piezoelectric BaTiO₃ Composite Hydrogel for Triboelectric Nanogenerators and Multimodal Sensors ”为题发表在ACS Nano上。论文的第一作者为中科院北京纳米能源所李琳琳课题组助理研究员王卓博士，通讯作者为中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和李琳琳研究员。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c10678

李琳琳课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/lilinlin

（课题组长期招聘博士后和特别研究助理，欢迎有相关学科背景的博士联系加盟）

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