《SMAT》湖南工业大学许建雄：可拉伸抗菌超分子水凝胶基压电-摩擦电混合纳米发电机用于自供电传感器

研究背景

随着网络技术的飞速发展，移动终端、可穿戴电子设备和传感器等创新产品越来越多地融入我们的日常生活。这些技术不仅加速了信息和资源的整合与共享，还推动人类进入了一个智能化和互联的时代。然而，在这些技术进步的背后，确保这些设备持续稳定的能源供应仍然是一个重大挑战。目前，电池是这些设备的主要能源，虽然具有易于制备和成本效益高的优点，但其有限的使用寿命、难以准确监控电量以及需要定期更换等局限性不容忽视。因此，对自供能设备的需求变得越来越迫切。纳米发电机（Nanogenerators, NGs）作为一种能够高效收集多种能源并将其转化为电能以实现自供能的设备，显示出巨大的潜力。

湖南工业大学许建雄教授团队开发了一种兼具韧性、可拉伸性和抗菌活性的BaTiO₃掺杂水凝胶（O/P/Fe-BTO水凝胶），并将其用作电极材料构建压电-摩擦电混合纳米发电机（PTENG）。该水凝胶展现出卓越的机械性能（拉伸应力2.14 MPa，拉伸应变876%，韧性9.96 MJ/m³）、良好的导电性（0.14 S/m）和优异的抗菌活性。基于O/P/Fe-BTO水凝胶的PTENG表现出优异的电输出性能（开路电压222 V，短路电流5.35 μA）。通过有限元模拟，验证了PTENG的发电机制，其输出性能优于单独的压电纳米发电机（PENG）和摩擦电纳米发电机（TENG）。PTENG在自供能应变传感器中表现出色，能够检测人体关节运动；在自供能触觉传感器中，能够产生稳定且可重复的电信号，用于书写识别。

图1. O/P/Fe-BTO水凝胶的合成与表征。(a) O/P/Fe-BTO水凝胶制备过程示意图。(b) BTO、OSA、P(AA-co-AM)和O/P/Fe-BTO水凝胶的FT-IR光谱。(c) O/P/Fe-BTO水凝胶的微观结构SEM图像。(d-g) O/P/Fe-BTO水凝胶中C、N、Ba和Fe的元素分布图像。

图2. O/P/Fe-BTO水凝胶的机械性能。(a) O/P/Fe-BTO水凝胶的实际照片：(I)拉伸，(II)扭转拉伸，(III)刺穿，(IV)提起重物（1 kg）。不同BTO含量水凝胶的拉伸应力-应变曲线(b)与对应韧性和弹性模量(c)。(d) O/P/Fe-BTO1.14水凝胶在不同拉伸应变下的循环加载曲线。(e) O/P/Fe-BTO1.14水凝胶在400%拉伸应变下的循环拉伸照片。(f) O/P/Fe-BTO1.14水凝胶在400%应变下循环加载-卸载100次的拉伸曲线及其(g)对应的最大应力演变。(h) O/P/Fe-BTO1.14水凝胶在80%应变下循环加载-卸载20次的压缩曲线及其(i)对应的最大应力演变。

图3. O/P/Fe-BTO水凝胶的抗菌活性。(a) 不同处理后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在琼脂平板上的菌落照片。(b, c) 不同BTO含量的水凝胶对(b)大肠杆菌和(c)金黄色葡萄球菌的抗菌率。(d) O/P/Fe-BTO水凝胶破坏细菌细胞壁的机制。

图4. O/P/Fe-BTO水凝胶的电学行为。不同BTO含量的水凝胶的(a)电化学阻抗谱与(b)电导率。(c) 实际电路照片。中间插图是水凝胶供电电池的电路图。(d) 不同BTO含量的Ecoflex-水凝胶复合膜的介电常数。

图5. PTENG的构建及其输出性能。(a) 基于O/P/Fe-BTO水凝胶的PTENG结构。(b) PTENG发电机制示意图。(c) PENG、TENG和PTENG的开路电压比较。(d)在30 N负载力下BTO的有限元模拟电位分布。(e) 有限元分析电位分布以说明PTENG的工作机制。(f-h) 不同BTO含量的PTENG的开路电压、短路电流和转移电荷。

图6. PTENG的输出性能。(a) 在不同工作推力下PTENG设备的开路电压和短路电流。(b) 在不同频率下PTENG的开路电压和短路电流。(e-f) PTENG的输出电压、电流密度和功率密度对外部负载电阻（10³–10¹⁰Ω）的依赖性。(g) 在30 N推力和4 Hz频率下PTENG的性能稳定性测试，持续4000个机械冲击周期。

图7. PTENG的应用。(a-e) PTENG基自供能应变传感器用于监测不同人体运动和弯曲测量，包括手指、肘部、膝盖和手腕关节的不同弯曲程度，以及脚部按压。(f) PTENG用于检测各种书写特征的(g-k)可重复电压信号。

论文以“Piezoelectric-triboelectric hybrid nanogenerator based on tough, stretchable BaTiO3 doped antibacterial hydrogel for self-powered sensors”为题发表在《Supramolecular Materials》上，通讯作者是湖南工业大学Lijian Xu、Qiao Zhang、Jianxiong Xu，Runi Hou为第一作者。

参考文献

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