可持续且灵活的羧甲基纤维素-聚二甲基硅氧烷摩擦电纳米发电机：用于机械能量采集及自供电可穿戴传感器

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Sustainable and Flexible Sodium Carboxymethyl Cellulose–Polydimethylsiloxane Triboelectric Nanogenerators for Mechanical Energy Harvesting and Self-Powered Wearable Sensing

可持续柔性摩擦纳米发电机基于CMC气凝胶和PDMS开发，分析其空气间隙与无间隙结构在垂直接触分离模式下的性能，最大输出功率分别为18.2 μW/cm2和10.6 μW/cm2，可充电10 nF电容至3.77 V和2.9 V，并成功应用于人体运动监测。

　　近年来，随着对可持续能源和便携式设备需求的增加，柔性纳米发电机（NGs）因其在机械能捕获与电能转换方面的潜力，受到了广泛关注。这类设备能够将人体运动、自然振动、风能、水流等环境中的机械能转化为可用的电能，从而为微型设备和自供电传感系统提供动力。在这一背景下，研究者们提出了一种基于羧甲基纤维素（CMC）气凝胶薄膜的摩擦纳米发电机（TENGs），这种材料通过水溶液制备，无需使用有毒溶剂，进一步增强了其环保性和可加工性。该结构还通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚合物进行浸润，并嵌入PDMS层中，从而实现材料间的有效摩擦电效应。

为了评估这些纳米发电机的性能，研究者们采用了垂直接触-分离模式，分别对空气间隙型和无间隙型结构进行了系统分析。空气间隙型纳米发电机表现出更高的输出性能，其开路电压（Voc）峰值达到163 V，短路电流（Isc）峰值为4.38 μA，最大输出功率为18.2 μW，对应表面功率密度为18.2 μW/cm2。相比之下，无间隙型纳米发电机的输出稍低，Voc峰值为82 V，Isc峰值为2.97 μA，最大输出功率为10.6 μW。然而，无间隙型设备在充电效率上表现更优，例如在1 Hz的周期性激励下，它能够在52秒内为10 nF电容器充电至2.9 V，而空气间隙型设备则需要75秒才能将相同电容器充电至3.77 V。这一结果表明，两种结构在不同应用场景下各有优势，无间隙型设备更适合需要快速响应和紧凑设计的自供电传感器系统，而空气间隙型设备则更适合需要较高输出功率的场合。

为了进一步验证这些纳米发电机的实用性，研究者们还进行了电容器充电测试，结果表明它们能够有效储存机械能转化为电能。在空气间隙型设备中，随着电容器容量的增加，充电时间也相应延长，例如10 nF电容器在75秒内被完全充电，而1 μF电容器则未达到稳定电压。这说明空气间隙型设备在充电过程中具有较高的能量密度，但其充电效率受到电容器容量的限制。另一方面，无间隙型设备在不同频率下的充电表现也显示出一定的灵活性，例如在2 Hz频率下，10 nF电容器可在62秒内被充电至0.4 V，而在5 Hz频率下，充电电压可达到2.9 V，仅需52秒。这表明，无间隙型设备在提高充电速度方面具有更大的潜力，尤其是在需要快速响应的自供电传感系统中。

除了作为能量收集装置，这些纳米发电机还被用作人体运动监测的自供电传感器。研究者们将无间隙型设备粘贴在不同的身体部位，如手指、肘部、脚跟、背部和手腕，以检测微弱的低频运动信号和较大的压力变化。实验结果表明，该设备能够有效捕捉人体关节的运动模式，并通过输出电压信号反映出运动的幅度和频率。例如，在手指弯曲和肘部活动时，设备能够产生约2.6 V和2.37 V的峰值电压；而在脚跟运动时，由于较大的压力作用，输出电压峰值可达8 V以上。此外，在手腕的运动测试中，设备能够根据弯曲角度的不同产生不同幅度的电压信号，例如在狭窄角度（约45°）下输出1.6 V，在宽角度（约180°）下输出4 V。这种灵敏度使得该设备能够用于多种人体运动的识别，包括动作模式的区分和压力的检测。

值得注意的是，这些纳米发电机不仅具备高输出性能，还具有可持续性、灵活性和轻量化等优点，使其成为未来自供电传感系统的理想选择。CMC气凝胶薄膜作为一种天然来源的材料，具有良好的生物可降解性和可再生性，而PDMS则因其优异的机械性能和化学稳定性，成为理想的负摩擦电层材料。两者的结合不仅提高了设备的输出性能，还增强了其在复杂环境下的适应能力。此外，通过调整材料的结构和表面特性，研究者们能够进一步优化设备的性能，使其适用于更广泛的场景，如医疗健康监测、智能服装、运动追踪设备等。

在实验过程中，研究者们采用了一系列精密的测试方法，包括扫描电子显微镜（SEM）用于观察材料的微观结构，以及自定义的电路系统用于测量开路电压和短路电流。为了确保测试的准确性，所有测试设备和连接线均经过屏蔽处理，以减少外部环境对信号的干扰。此外，通过调整外部负载电阻，研究者们能够评估设备在不同负载条件下的输出功率变化，从而确定最佳工作条件。实验结果表明，空气间隙型设备在110 MΩ负载下达到最大输出功率，而无间隙型设备在相同负载下则表现出较低的输出功率，但更快的充电速度。

为了进一步拓展这些纳米发电机的应用范围，研究者们还探索了其在生物力学能收集中的潜力。通过将设备粘贴在不同的身体部位，研究人员能够实时监测人体运动所产生的机械能，并将其转化为电能。这种自供电传感系统的优势在于其无需外部电源，能够实现长时间、低功耗的运行，从而为可穿戴设备和智能医疗系统提供新的解决方案。此外，由于CMC气凝胶薄膜具有较高的孔隙率和较大的比表面积，使得其在摩擦电过程中能够更有效地收集和储存电荷，从而提高整体的性能。

综上所述，这项研究提出了一种基于CMC气凝胶薄膜和PDMS聚合物的新型摩擦纳米发电机，其结构设计兼顾了高输出性能和良好的机械灵活性。空气间隙型设备在输出电压和功率方面表现更优，而无间隙型设备则在充电速度和结构紧凑性方面具有优势。通过实验测试，研究者们验证了这些设备在不同应用场景下的可行性，特别是在人体运动监测和自供电传感系统中的应用潜力。未来，这种基于可持续材料的纳米发电机有望在多个领域得到广泛应用，为实现绿色能源和智能传感技术提供新的思路。