随着物联网与智能医疗的快速发展，可穿戴电子设备在健康监测、人机交互等领域展现出广阔的应用前景。然而，传统可穿戴器件通常依赖外部电源供能，同时，在佩戴过程中容易发生汗液积聚、皮肤湿度波动以及局部热量滞留，导致穿戴舒适性下降、信号失真甚至器件失效。因此，开发具备自供电能力和优异环境适应性，并能实现可靠信号采集的摩擦电器件成为当前研究的重要方向。基于摩擦电纳米发电机（TENG）的可穿戴设备在生理信号的实时监测中展现出巨大潜力，通过构建Janus型静电纺丝TENG材料不仅能维持优异的电学响应，还能实现水分的单向自发传输，为可穿戴器件在复杂环境下的运行提供新的设计思路。

近日，江南大学王利强教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Directional Moisture-Wicking Janus Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Health Monitoring”。研究者通过静电纺丝的方法，成功设计并制备了一种具有优异定向输水功能的PDA@MXene-PAN/PVDF双层复合纤维材料。与传统的单层亲水或疏水材料相比，该材料通过构建由亲水PAN层至疏水PVDF层的润湿性梯度与孔径梯度，实现了在10秒内完成水分自内向外的快速定向传输，有效避免了水分在皮肤-器件界面的滞留。作为TENG的摩擦层，该材料可输出高达150 V的峰值电压和302.6 mW/m2的峰值功率密度，其电性能显著优于未功能化的PAN/PVDF体系。得益于其柔性结构、定向输水能力和出色的摩擦电性能，该材料在呼吸监测、运动监测等人体生理信号检测场景中表现出显著应用潜力，为新一代可穿戴、自供能生理传感器的设计与实现提供了可行的技术路径。

图1：PDA@MXene-PAN/PVDF双层复合纤维材料的示意图

图2：复合材料的定向输水性能。

如图2所示，当水滴施加于PVDF侧时，液滴虽初始在疏水表面形成一定的接触角，但在短时间内迅速被膜体吸收，并在10秒内完全渗透至膜的PMXP侧。当膜反转，水滴施加于亲水的PMXP侧时，液滴能够被迅速润湿并铺展，但始终滞留于膜表面，未观察到向PVDF侧的渗透现象，即液体无法逆向穿透复合膜。实验结果表明，Janus复合膜在形成了稳定的润湿梯度和纤维网络结构梯度，在不同方向上对液滴产生非对称的力学响应。其亲疏水差异和纤维网络构筑的通道共同驱动水分实现由疏水层向亲水层的定向迁移，而反方向则因界面能和纤维排列，阻止了水分逆向渗透。该定向输水行为不仅有助于实现水分的单向排出，也提升了TENG在穿戴过程中的舒适性与稳定性，为其在柔性可穿戴电子器件中的实际应用提供了支撑。

图3：材料的摩擦电性能。

如图3所示，在摩擦电性能测试中，PDA@MXene-PAN/PVDF双层复合纤维膜展现最优的摩擦电输出，在最佳掺杂量下（2 wt%），器件的开路电压、短路电流和转移电荷量分别可达约150 V、4 μA和53 nC，并具备302.6 mW/m2的峰值功率密度。在2 Hz和50 N的条件下对TENG进行了循环测试，器件在超过6000次循环过程中仍保持稳定的电输出，表明其具有良好的运行稳定性。此外，该TENG被成功用作自驱动电源，无需任何外部电源即可直接点亮商用LED灯，

图4：人体监测应用。

如图4所示，将该TENG器件作为可穿戴传感器件用于人体生理信号的实时监测，能够对多种人体活动，如不同呼吸状态、手部活动、不同步态做出清晰、可区分的响应，充分展示了其在健康监测领域的应用潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.5c24264