康复大学贺金涛/杨大鹏AFM：分子工程化卡拉胶实现集水–发电–传感的多功能应用

能源环境领域对可持续发展的追求，以及智能可穿戴传感技术的革新，都对 功能 材料 的研究开发 提出了更多 要 求。分子设计已成为优化材料特性、实现功能整合的核心策略 之一 。天然高分子卡拉 胶具 有 良好的 生物相容性与可再生性 ，可作为 绿色基 体 材料，但 可 加工 性差 与机械强度不足的问题，限制了其进一步开发应用。

近期，康复大学康复科学与工程学院贺金涛/杨大鹏通过分子设计调控-卡拉胶分子间相互作用，显著降低其溶胶–凝胶转变温度，从而赋予材料优异的可加工性和增强的机械特性。该改性策略能高效固定盐离子，使材料具备良好的大气水收集能力和稳定的湿气发电性能。基于此开发出了自供电智能传感器，可实时监测呼吸状态、感知压力变化，并对非接触动作做出快速响应。该项研究构建了集成化材料设计框架，为绿色能源技术与个性化健康监测的创新提供了新路径。

通过引入 带 正电 的 季铵基 团 ，使得 - 卡拉胶 的溶解温度显著降低 ， 这可以实现蛋白质、酶或热敏性药物与 - 卡拉胶的有效复合 ，从而避免高温带来的 结构性 破坏 。特别地， 这种 改性能够显著降低卡拉胶的溶胶 – 凝胶临界转变温度，实现灵活的可加工性， 并能够显著改善 机械性能， 增强 柔韧性。另一方面，带有两性离子基团的卡拉胶 （ Q KC ） 通过聚合物链上的官能团与盐离子的配位实现了对吸湿盐的有效锁定，降低了盐泄露的风险。

图 1. 分子工程化卡拉 胶及其 应用示意图

图 2 . QKC 的性质 和吸湿性能

基于 QKC 制备了 AWH 器件，并在 25℃ 的动态 RH 条件下，评估了其水蒸气吸附行为。在相对湿度为 90% 的条件下， QKC 基 凝胶最大水蒸气吸收量为 2.1 g g − 1 。 基于此， 进一步设计了湿气发电器件， QLMEG 在 90% 湿度下 可以实现 0.92 V 的开路电压。器件串联后电压可达 12.3 V ，可以为 小型电子 设备供电。

图 3 . QLMEG 器件的湿气发电性能

QLMEG 在健康监测中具有显著优势，其能够直接利用环境湿度变化进行自供电 。 在不同的呼吸频率下， QLMEG 能够实时显示 电 信号 。在快速呼吸时， QLMEG 展现了快速的电压响应，而慢速呼吸的电压响应相对缓慢。利用这一特性，可以通过电信号响应来判断不同的呼吸状态，并实时记录运动和静息状态下的呼吸频率。 QLMEG 对不同压力也可以表现出电压信号响应特性，当施加压力时，器件的电压立即发生变化，当压力撤去后，初始电压恢复。此外， QLMEG 器件还具有非接触传感的能力，当测试者慢速走向 QLMEG 传感器时，其电压发生了小幅度的变化。随着走进速度的增大，其电压响应变化也逐渐增大。

图4. QLMEG器件的自供电传感器应用

这些应用研究展示了卡拉胶基功能材料良好的应用潜力，有利于推动其在健康监测、能源利用及环境科学领域的开发应用。

N. Li, X. Yu, D.-P. Yang, J. He, Molecularly Engineered Quaternizedκ-Carrageenan: a Multifunctional Platform for Atmospheric Water Harvesting, Moisture-Electricity Generation, and Self-powered Wearable Sensors. Adv. Funct. Mater. 2025, e02668.

https://doi.org/10.1002/adfm.202502668

来源：高分子科学前沿

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