随着柔性晶体管和集成电路的出现，可穿戴电子产品发展迅速并广泛应用。然而，可穿戴电子设备的一个主要问题是目前的电源难以与其灵活性和延展性相匹配，人们迫切需要一种能够更好地适应人类行为的便携式电源。近年来，可拉伸的摩擦电纳米发电机（TENG）被广泛应用于可穿戴电源和运动传感器。实现柔性TENG的关键是设计一种柔性电极。常见的解决方案是在聚合物弹性体中掺杂导电填料，但是在拉伸过程中电阻表现出不稳定。水凝胶电极具有极好的可拉伸性，作为离子导体，其电阻变化率在拉伸时相对较小。然而水凝胶的稳定性较差，水分会挥发且易冻结，极大地限制了它的应用。因此，需要设计一种新型的具有高导电性、热稳定性以及电学稳定性的柔性电极，并以此构建可穿戴式的摩擦纳米发电机。

在这项工作中，我们提出了一种用于生物力学能量收集的热稳定和可拉伸的离子凝胶基摩擦电纳米发电机（SI-TENG）。通过在离子凝胶中加入适量的NH₂-HBP，利用NH₂-HBP的内腔以及末端丰富的氨基和周围官能团建立氢键，使得离子凝胶电极的离子电导率和力学性能得到了有效的提高。同时，引入Fe³⁺与周围的羧基形成配位键，提高了离子凝胶的力学性能。通过对NH₂-HBP用量的最佳调节，离子凝胶的离子电导率增加到0.53 S m^-1，同时具有812%的高应变、优异的拉伸恢复性和−80℃至250℃的宽操作温度。以该离子凝胶为电极，硅橡胶为摩擦层和封装层的SI-TENG表现出高温稳定性、拉伸性和可洗性。该SI-TENG可以作为一种自充电电源，通过收集生物力学能量来驱动电子计算器或给商用电容充电。同时，SI-TENG也可以用作自供电运动传感器，可以通过分析输出电压来检测手指弯曲的幅度和频率，甚至能检测到更细微的吞咽、点头和摇头的动作。该论文第一作者为苏州大学硕士生祝芊芊，共同第一作者为桂林理工大学硕士生廖伟强和苏州大学硕士生张芳佳，苏州大学孙旭辉教授、文震研究员及桂林理工大学李裕祺副教授为共同通讯作者。

图1 离子凝胶的化学结构和表征（a）离子凝胶、AA、PEGDA、[C₂mim][EtSO₄]和NH₂-HBP的化学结构。（b） 0.6wt%NH₂-HBP/离子凝胶、0.6wt%NH₃-HBP@Fe₃O₄/离子凝胶和0wt%NH₂-HBP@Fe₃O₄离子凝胶的TR-FTIR光谱。（c） NH₂-HBP含量为0至1wt%的离子凝胶的离子导电性。NH₂-HBP含量分别为（d）0wt%、（e）0.3wt%、（f）0.6wt%和（g）1wt%的冻干离子凝胶的截面SEM图像。（h）四种离子凝胶的应力-应变曲线。（i） NH₂-HBP含量为0.6wt%的离子凝胶的循环拉伸应力-应变疲劳试验。

图2 SI-TENG的结构和电气输出性能（a）可拉伸离子凝胶TENG的结构方案。（b） SI-TENG在单电极模式下的工作机制。（c） SI-TENG在不同机械变形条件下的光学图像。

图4 SI-TENG作为自充电电源和自供电运动传感器收集生物力学能量的演示。（a）用手掌拍打SI-TENG，即可直接点亮20盏白色LED灯。（b）作为一种自充电电源，SI-TENG通过等效电路驱动电子计算器。（c） 22μF商用电容器的充电和放电电压曲线，由SI-TENG充电并为电子计算器供电。（d） SI-TENG在频率为1时为商用电容器充电的充电电压曲线为1至33μF。赫兹。SI-TENG被用作自供电传感器，用于检测（e）手指关节弯曲的幅度和（f）频率，（g）点头，（h）摇头和（i）吞咽。

孙旭辉，清华大学理学学士、硕士学位；香港城市大学博士学位；加拿大西安大略大学化学系博士后；美国国家宇航局(NASA) Ames研究中心纳米技术中心博士后；NASA Ames研究中心先进研究实验室研究员；2009年加入苏州大学功能纳米与软物质材料研究院，特聘教授，博士生导师。主要研究领域为纳米材料和纳米功能器件及其在新能源（纳米发电机、光解水、锂电池等）、柔性传感器及自驱动传感方面的应用研究，以及同步辐射技术及其在纳米材料研究中的应用。现已在SCI收录国际期刊如J.Am. Soc. Chem.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Chem. Rev.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.等上发表论文200余篇。获得美国专利3项，PCT专利2项，申请中国专利80余项，已授权50余项。担任国际杂志IEEE Transaction on Nanotechnology副主编，Frontiers in Materials编委会委员，是国际电子电工学会高级会员、国际材料学会、国际X射线吸收谱学会会员，以及国家同步辐射实验室用户委员会副主任、上海光源用户委员会委员，国家纳米标准委员会苏州工作组副组长。承担了国家重点研发计划项目课题2项，国家基金委联合基金重点项目、重大研究计划培育项目、面上项目负责人等多项，还参与了国家863重大项目、国家02专项等。

Zhu Q, Liao W, Sun C, et al. Highly stretchable, conductive, and wide-operating temperature ionogel based wearable triboelectric nanogenerator. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5851-3.