随着网络技术的迅猛发展，移动终端、可穿戴电子设备及传感器等创新产品已深度融入日常生活。这些技术不仅加速了信息与资源的整合共享，更推动人类步入了一个智能化、互联的时代。然而，在技术革新的浪潮中，如何确保持续稳定的能源供给仍是亟待解决的关键问题。当前主流电池技术虽具有制备便捷、成本低廉的优势，但其有限的使用寿命、电量监测精度不足以及周期性更换需求等固有缺陷，已成为制约设备性能提升的瓶颈。在此背景下，开发新型自供电系统已成为重要研究方向。纳米发电机作为一种能够高效收集多种能源并将其转化为电能以实现自供电的设备，正显现出巨大的潜力。特别是以导电水凝胶为电极材料的摩擦纳米发电机（H-TENG）凭借其优异的柔韧性、导电性、生物相容性等优点，已引起研究者们极大的研究兴趣。但现有H-TENG技术仍面临两大核心挑战：其一是电输出性能偏低导致传感器灵敏度受限，其二是水凝胶电极存在机械强度不足、抗菌性能缺乏等综合性能缺陷，严重制约其实际应用。针对这些挑战，必威官方首页官网许利剑教授团队开发了一种坚韧、可拉伸的掺杂BaTiO₃的抗菌水凝胶（O/P/Fe-BTO），并将其用于构建高性能压电-摩擦电混合纳米发电机（PTENG）。基于压电效应和摩擦效应的协同作用，实现了电学输出性能的显著提升。相关成果“Piezoelectric-triboelectric hybrid nanogenerator based on tough, stretchable BaTiO₃ doped antibacterial hydrogel for self-powered sensors”发表在2025年1月17日的《超分子材料》（Supramolecular Materials）期刊上。论文通讯作者是许利剑教授、许建雄教授和张巧博士，第一作者是必威官方首页官网生物医学工程专业2022级硕士研究生侯汝妮。

O/P/Fe-BTO水凝胶的制备及其应用示意图。

在具体工作中，O/P/Fe-BTO水凝胶的合成采用分步交联策略：首先将氧化海藻酸钠（OSA）、丙烯酸-丙烯酰胺共聚物（P(AA-co-AM)）与BTO纳米颗粒混合，通过自由基共聚反应构筑三维网络骨架形成初级凝胶；继而通过Fe³⁺溶液浸渍处理，利用金属离子与聚合物链上的羧基配位作用实现水凝胶结构的二次强化交联。该水凝胶展现出优异的机械性能（拉伸应力2.14 MPa，拉伸应变876%，韧性9.96 MJ/m³）、良好的导电性（0.14 S/m）和优异的抗菌活性（对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率分别达到99.82%和100%）。基于O/P/Fe-BTO水凝胶的PTENG表现出优异的电输出性能，最大开路电压（V_oc）为222 V，短路电流（I_sc）为5.35 μA。通过有限元模拟，验证了PTENG的发电机制，并进一步证实其输出性能优于单独的压电纳米发电机（PENG）和摩擦电纳米发电机（TENG）。此外，该PTENG在自供电传感器领域展现出巨大潜力：在应变传感器应用中，能够有效检测人体关节运动；在触觉传感器应用中，能够产生稳定且可重复的电信号，实现书写识别功能。该研究不仅为高性能自供电传感器的设计提供了新的思路和方法，还探索了基于PTENG的自供电传感器在人体运动健康检测及康复医学中的应用前景，进一步拓展了导电水凝胶在柔性电子器件和能量收集系统中的应用范围。

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和2024JJ6202）、湖南省教育厅科学研究基金（23A0430和24B0525）的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667240525000054