随着经济的快速发展和生活质量的提高，人们对可穿戴智能电子设备的需求日益增长。然而，当前大多数设备仍然依赖电池供电，存在体积大、重量重、使用寿命短等问题。自供电设备的出现为这些问题提供了理想的解决方案，能够有效避免频繁更换电源带来的额外经济成本和环境影响。基于摩擦起电和静电感应耦合效应工作的摩擦纳米发电机（TENG）作为一种可持续的能量收集装置，能够将机械能转化为电能，在自供电领域展现出巨大潜力。液态金属（LM）由于其优异的导电性和流动性，被认为是增强水凝胶导电性和机械性能的理想材料。然而，液态金属的分散性差和表面易氧化问题显著降低了水凝胶的导电性和机械性能，进而影响其传感性能。针对该问题，betway必威中国许建雄教授提出了一种基于生物大分子（羧甲基纤维素CMC及其衍生物CMC-AGE）包裹的无氧化层液态金属掺杂导电双网络水凝胶（CMC/P(AA-co-DAC)/NaCl-LM）。并通过优化水凝胶的组成和结构，该材料最终实现了机械性能与导电性的协同提升。相关成果“Triboelectric nanogenerator based on well-dispersed and oxide-free liquid metal-doped conductive hydrogel as self-powered wearable sensor for respiratory and thyroid cartilage signal monitoring”发表在2025年1月的《纳米能源》（Nano Energy）期刊上。论文通讯作者是许建雄教授，第一作者是2022级硕士研究生杨千年。

CMC/P(AA-co-DAC)/NaCl-LM水凝胶的制备及其应用示意图。

首先通过酸性条件下的水热反应处理液态金属去除其表面的氧化层，并将其均匀分散在CMC和CMC-AGE溶液中，形成第一网络。随后，通过紫外光聚合反应将聚丙烯酸-丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（P(AA-co-DAC）作为第二网络，与第一网络交联形成双网络水凝胶。该水凝胶具有优异的拉伸性能（应力为389.81 kPa，应变为2866.44%）和高导电性（5.27 S/m）。基于该水凝胶的摩擦纳米发电机（CPL-TENG）展现出卓越的电输出性能（开路电压为223.32 V，短路电流为9.78 μA，功率密度为4.30 W/m²）和高灵敏度（压力灵敏度为0.268 kPa⁻¹），并能够在12000次循环后保持稳定的电输出性能。CPL-TENG作为自供电传感器，成功应用于呼吸信号监测和机器学习辅助的语言识别。通过将CPL-TENG附着在志愿者的胸部，实时监测志愿者不同呼吸状态下的电压信号，并准确识别睡眠呼吸暂停综合征（OSAHS）的呼吸特征。此外，CPL-TENG还被用于构建智能颈环，通过监测甲状腺软骨的振动信号，实现了对无声语言的高精度识别。通过支持向量机（SVM）、决策树和K近邻（KNN）等机器学习模型，研究人员成功分类了不同词语的电压信号，分类准确率分别达到93.33%、89.58%和94.17%。该研究为开发高性能的液态金属掺杂导电水凝胶提供了新的思路，并展示了其在自供能可穿戴设备中的广泛应用前景。

该工作得到了国家自然科学基金（52474326、52477213和52374387）、国家自然科学基金联合基金（U23A20138和U2436202）、湖南省自然科学杰出青年基金（2024JJ2029）、湖南省自然科学基金（2023JJ40264）、湖南省教育厅科学研究基金（23A0430）和必威官方首页官网研究生科研创新项目（CX2420）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110530