随着近年来电子技术的蓬勃发展，可穿戴电子设备被人们广泛的使用于日常生活中。然而，如何持续的向这些可穿戴电子设备进行供电这一问题也同样日益严峻。由于传统电池在续航能力、环境友好等方面存在着不足之处，制备稳定、高性能、可持续的自供电采集系统是必要的研究内容。
近日，北京交通大学李修函教授团队在期刊《Advanced Functional Materials》上，发表了最新研究成果：“Running Toward a Greener Future”: Lysine-Enhanced Triboelectric Nanogenerator for Efficient Foot-Motion Energy Harvesting。研究者通过静电纺丝技术开发了一种基于尼龙(Nylon) 中掺杂赖氨酸(Lysine)的柔性、轻量化和节能薄膜并以此构建摩擦电纳米发电机(LN-TENG)。由于赖氨酸独特的官能团，优化后的LN-TENG的功率密度为10.67 W m−2，比原始商业尼龙膜的功率密度高26.34倍，表现出优异的摩擦电性能。
图1. 足部运动驱动TENG系统的设计与工作原理
图1. 静电纺丝制备Lys-NyNF流程以及表明形貌以及成分表征
通过静电纺丝工艺制备的赖氨酸/尼龙复合纳米纤维薄膜的具体流程如图1a所示。SEM表面形貌表征如图1b、c所示，不同掺杂浓度下的Lys-NyNF薄膜表现出明显的多孔结构，纤维之间交错分布且没有出现串珠或纤维断裂等情况。同样的，通过EDS分析可以观察到两种物质的所含的C、N均匀分布，证明了二者的充分结合。在此研究基础上，将其与负摩擦材料FEP共同构建成LN-TENG。
图2. LN-TENG电输出性能和环境鲁棒性
赖氨酸的HOMO - LUMO间隙小得多，意味着电子激发和转移的势垒较低，这有望促进摩擦电接触过程中的电荷交换。在7.5 wt%掺杂浓度下LN-TENG的输出达到最大，与商用尼龙膜相比，LN-TENG的VOC、ISC和QSC值分别提高了3.68倍、8.08倍和10.96倍，功率密度是普通尼龙薄膜的26.34倍，表明赖氨酸掺杂纳米纤维体系具有优越的电荷产生和转移能力。同时，LN-TENG在不同温度下保持良好的耐用性和热稳定性，在经历3.5 h的重复压力测试后依然保持着高输出，证明其卓越的机械稳定性以及在可变环境和长时间能量采集过程中的适用性。
图3. 堆叠式SF-TENG的电学特性和功率性能
图4. SF-TENG在足底能量采集及设备供电中的实际应用
通过折叠式结构以及电源管理电路构建起SF-TENG用于足底能量采集系统，创新性的将SF-TENG分别置于前后脚掌以更全面、广泛的收集人体机械能。通过电源管理电路，显著提高了SF-TENG的转移电荷量，极大提升了其给储能电容器的充电速率。堆叠的SF-TENG在保持输出线性缩放的同时能量损失最小，表明了高的结构相容性和在压缩下优异的电荷转移效率。在踏步驱动测试中，SF-TENG在低频步进下表现出强线性和小相位差，确保了在低频实际应用中的可靠性能，同时SF-TENG的频率标准化功率输出为45.6 mW/Hz，足以同时点亮三个并联的湿度计。拥有低成本、广泛可用的原材料、静电纺丝工艺和高输出性能，所制备的TENG显示出成本效益和可持续商业化的强大潜力，为健康监测，运动跟踪和可持续人机界面的实用能源自主平台铺平道路。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202519250
人物简介：
李修函，北京交通大学教授，博士生导师。于2006年获得北京大学微电子学和固体电子学博士学位。主要研究方向为微纳米器件与能量采集、植入式生物医学微器件特别是无线能量传输系统。主持和参与多项科技部、国家自然科学基金项目。李教授发表了30多篇同行评议论文（Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy等），授权发明专利6项。
郝逸君，北京交通大学博士研究生，博士生导师为李修函教授。于2024年入选首届青年人才托举工程博士生专项计划。主要研究方向为自供电物联网系统。
