随着可穿戴电子设备被人们广泛的使用于日常生活中以及人们对于环境保护的持续关注，如何可持续、绿色的向可穿戴电子设备进行供电这一问题亟待解决。传统电池在续航能力、环境友好能力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目前研究的热点。

近日，北京交通大学李修函教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果：Square-Structured Nylon/Chitosan Oligosaccharide-Based Triboelectric Nanogenerator for Omnidirectional Low-Frequency Energy Harvesting。研究者通过静电纺丝技术开发了一种基于尼龙(Nylon) 中掺杂壳寡糖(COS)的柔性、轻量化和节能薄膜并以此构建摩擦电纳米发电机(NC-TENG)。由于壳寡糖中富含大量氨基，优化后的NC-TENG的功率密度为4.6 W m−2，与近年来采用可持续材料制备的摩擦纳米发电机的功率密度相比，有4-360倍的提高，表现出优异的摩擦电性能。

图1. SS-TENG的结构设计和工作原理

图2.  NCEM的制造和表征

通过静电纺丝工艺制备的尼龙/壳寡糖复合纳米纤维薄膜的具体流程如图2a所示。SEM表面形貌表征如图2b所示，不同掺杂浓度下的NCEM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FTIR、XRD以及XPS等表针技术分析可以知道在复合纳米纤维中成功引入壳寡糖，同时尼龙的各项指标未出现明显变化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NC-TENG。

图3. NC-TENG与NCEM的电输出特性

壳寡糖源自壳聚糖的水解，具有低分子量、优良的水溶性和高生物活性等优点，被视为一种绿色环保材料。同时，其分子中富含大量的氨基，作为一种优秀的给电子极性基团，是一种非常有潜力的正摩擦材料。由电纺丝工艺制备的尼龙/COS电纺纳米纤维具有更好的表面粗糙度和更高的比表面积，从而有助于增强其摩擦电特性。含9 wt % COS的复合纳米纤维薄膜的VOC、ISC和QSC分别提高了4.2倍、6.4倍和9.7倍，结果清楚地表明了尼龙/COS复合纳米纤维的优越摩擦电输出性能，此外，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。最后，为了更好的收集人体在运动过程中产生的机械能，采用了回字形的结构作为支撑，实现了全方向的人体机械能量收集。通过持续的踏步运动成功点亮温湿度计，证明了其优异的能量采集性能和环境应变稳定性。

图4. 由NC-TENG单元构成的SS-TENG的电输出特性

图5. SS-TENG的能量采集应用

通过静电纺丝技术制备了尼龙/壳寡糖复合纳米纤维薄膜。通过整合软件建模、材料表征方法以及对摩擦电输出性能的评估，确定了含有9 wt % COS的NCEM表现出最佳的正摩擦电性能。基于摩擦电性能测试确认，NCEM的输出特性显著高于商业尼龙薄膜，从而验证了COS的加入增强了基于尼龙的纳米纤维的摩擦电性能。与纯商业尼龙薄膜相比，所制备的NCEM的开路电压、短路电流和转移电荷分别增加了4.2倍、6.4倍和9.7倍。此外，由于其在组合材料中优越的输出能力，NC-TENG的功率密度达到4.6 W/m²，较近年来用其他糖类制备的TENG提升了4到360倍。利用NCEM出色的摩擦电输出能力，设计了一种配备整流电路的SS-TENG，能够有效收集由日常人体运动产生的全向低频（<2 Hz）振动能量，并将生物机械能转化为电能，以为小型电子设备供电。将可持续材料作为TENG的主要组成部分提供了一种开发创新和环保自供电设备的有效途径，反映了未来研究的重要方向。这些材料的可持续和环保特性成为电池替代和清洁能源利用推广的重要准则，为自供电可穿戴电子设备的进展提供了新的见解，并在未来生物机械能收集、可穿戴设备供电和无线传感技术等领域展现出良好的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.5c11941

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。

苏嘉昱，北京交通大学博士研究生，博士生导师为李修函教授。目前主要研究方向为自供电能量收集、柔性可穿戴电子设备的研究。

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。