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随着大数据、物联网和人工智能快速发展，迫切需要便携、灵活、可穿戴和自供电的电子设备。然而，传统的能源供应设备，如电池和电容器，由于其结构刚性强，几乎不能承受剧烈的变形。摩擦纳米发电机（TENG）是一种新兴的实现自供电传感和低频能量收集的技术，在柔性可穿戴电子器件中具有巨大的应用潜力。柔性TENG要求摩擦层和电极层都具有柔性和可拉伸性。柔性摩擦层的候选材料范围很广，但柔性电极材料的选择十分有限因为它要求其性能应良好且稳定，且不会受到拉伸、扭曲、弯曲等外力的破坏。传统的柔性导电材料，如导电银浆、银纳米线、碳纳米管和石墨烯等，由于成本超高或制备工艺复杂，难以实现量产。因此，迫切需要探索和开发TENG的高性能柔性电极材料。
与传统的金属电极相比，水凝胶因其优异的可拉伸性、自愈性和导电性能而成为新兴的柔性电极材料。然而，其明显的缺点，如电导率较低、机械和生物相容性差、对外界刺激反应慢等，极大地限制了其实际应用。相比之下，二维过渡金属碳化物纳米材料MXene，具有独特的金属导电性、亲水性、易加工性、高比表面积和优异的机械强度性能。因此，将MXene引入水凝胶中不仅可以提高水凝胶的导电性，增强整体机械和生物相容性，还可以赋予水凝胶新的性能，以实现多功能MXene水凝胶材料。
最近，广西大学纳米能源研究中心、中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究团队报道了一种基于MXene/聚 醇（PVA）水凝胶制备的TENG（MH-TENG）。MXene纳米片的掺杂不仅可以提高TENG的可拉伸性，增强水凝胶电极的导电性，还可以通过流动振动电位（SVP）机制产生额外的摩擦电输出。利用MH-TENG出色的可拉伸性和对机械刺激的超高灵敏度，展示了其在可穿戴运动监测、高精度笔画识别和低频机械能收集方面的应用。相关论文以题为AFlexibleMultifunctionalTriboelectricNanogeneratorBasedonMXene/PVAHydrogel发表在《AdvancedFunctionalMaterials》上。论文共同 作者为广西大学联培生罗雄心和纳米能源所朱来攀副研究员，通讯作者为纳米能源所王中林院士。
图1.MXene/PVA水凝胶的微观结构和成分表征。(a)MXene的晶体结构示意图。(b)MXene纳米片的TEM低倍放大图像。(c)来自b)的MXene纳米片的放大边缘区域。(d)MXene纳米片的SAED图。(e)MXene纳米片的EDX图。(f)MXene/PVA水凝胶的自愈能力表征光学照片。(g)合成的MXene/PVA水凝胶网络示意图，显示了一次交联和二次交联网络。(h-j)分别为MXene/PVA水凝胶的FTIR、拉曼光谱和XRD图。
图2.MH-TENG的工作原理和输出性能。(a)MH-TENG的结构示意图。(b)用于能量收集的单电极模式MH-TENG的工作原理示意图。(c)基于MXene/PVA水凝胶微通道的摩擦起电机制。(d-f)不同掺杂浓度的MXene纳米片的MH-TENGs的开路电压d)短路电流e)和转移电荷量f)。(g)具有不同MXene掺杂浓度的MXene/PVA水凝胶的电阻。
图3.不同拉伸状态和用于监测身体运动自供电传感器产生的输出电压。(a)MH-TENG拉伸长度与输出电压的线性关系，其中插图显示了MH-TENG良好的可拉伸性。(b)MH-TENG在手指弯曲30°、45°、60°和90°检测到的电压信号。(c-e)MH-TENG检测手腕(c)、手肘(d)和手指(e)的连续弯曲的电压信号。(f)MH-TENG检测不同实验者手指弯曲的电压信号。
图4.MH-TENG用于传感不同的手写细节。(a)在MH-TENG表面手写示意图。(b-e)用于传感不同手写内容的电压信号。
图5.MH-TENG用于低频能量收集。（a）通过用其他材料替换Kapton（参见图S3中的MH-TENG结构）的开路电压。(b)MH-TENG在相同工作频率下使用1μF和3.3μF电容器的充电的电压曲线。(c)短路电流和计算的电荷密度与外部负载电阻的关系。(d-f)MH-TENG用手拍打时的开路电压d)短路电流e)和转移电荷量f)。(g)MH-TENG点亮LED的电路示意图。(h)与MH-TENG连接的40个LED的原始照片。(i)用手敲击MH-TENG点亮的40个LED的照片。
团队制备了以MXene/PVA水凝胶为电极的柔性和可拉伸摩擦纳米发电机。发现MXene纳米片不仅促进了PVA水凝胶的交联，而且在水凝胶内部形成了微通道，促进了复合水凝胶的拉伸性，增强了离子传输，并通过微通道摩擦电的SVP机制诱导了额外的输出。用于MH-TENG的MXene纳米片的 掺杂浓度被证明为4%。MH-TENG具有出色的可伸缩性和对机械刺激的超高灵敏度，在可穿戴自供电人体运动监测和高精度笔画识别方面具有巨大的应用潜力。此外，用于MH-TENG的独立摩擦电材料可以与各种材料结合，在低频机械能收集方面显示出巨大的潜力。
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