许建雄教授课题组《Nano Energy》：基于锂水合离子掺杂双网络水凝胶的摩擦纳米发电机用于低温生物力学传感和能量收集

导电水凝胶因具有良好的柔韧性、粘附性、以及可功能化的特性，近年来被广泛用作摩擦纳米发电机（TENGs）的电极材料。然而，水凝胶在零度以下的低温环境中容易发生冻结，其柔韧性、导电性、粘附性和刺激响应性等性质亦会受到影响，导致水凝胶基柔性电子器件的功能随之减弱。因此，开发高性能的抗冻水凝胶电极材料对拓展TENGs在低温环境中的生物力学传感和能量收集等应用具有重要的研究意义。最近，湖南工业大学生命科学与化学学院许建雄教授课题组利用锂水合离子（[Li(H₂O)_n]⁺）降低冰点的策略，开发了一种高强韧、强粘附的抗冻双网络导电水凝胶（Glu/P(HEA-co-AA)-Fe/LiCl）。以该抗冻水凝胶为电极材料构建的摩擦纳米发电机（GP-TENG）展示出优异的低温电输出能力。基于GP-TENG的生物力学传感器具有超低的压力检测限和高压力灵敏度，能够在-18℃下准确检测各种人体运动。此外，GP-TENG构建的自供电系统还可作为能量收集装置，甚至在-18℃下对小型电子设备正常供电。相关成果“Triboelectric nanogenerators based on hydrated lithium ions incorporated double-network hydrogels for biomechanical sensing and energy harvesting at low temperature”发表在2024年6月15日的Nano Energy《纳米能源》期刊上。论文通讯作者是许建雄教授和余茂林讲师，第一作者是张弘一。

Glu/P(HEA-co-AA)-Fe/LiCl抗冻水凝胶的制备方法如下。先将丙烯酸（AA）、丙烯酸羟乙酯（HEA）、葡聚糖（Glu）和氯化铁（FeCl₃）溶于水中形成均匀的水凝胶前体溶液。在过硫酸铵（APS）的引发下，AA和HEA单体共聚形成P(HEA-co-AA)聚合物，游离的Fe³⁺与共聚物中的-COO^-形成Fe³⁺-COO^-金属配位作用，进而交联成网络，得到Glu/P(HEA-co-AA)-Fe水凝胶。然后将制备的Glu/P(HEA-co-AA)-Fe水凝胶浸泡在LiCl溶液中，进入水凝胶内部的Li⁺会吸引水分子聚集，并形成[Li(H₂O)_n]⁺，随之与水凝胶网络产生多重氢键作用，制备了一种高强韧、可粘附的Glu/P(HEA-co-AA)-Fe/LiCl抗冻双网络导电水凝胶（图1）。

Glu/P(HEA-co-AA)-Fe/LiCl水凝胶的制备及其低温应用示意图。

以[Li(H₂O)_n]⁺为关键成分制成的多功能双网络导电水凝胶（Glu/P(HEA-co-AA)-Fe/LiCl）具有高韧性、强粘附性、抗疲劳性和抗冻性。得益于Glu/P(HEA-co-AA)-Fe/LiCl水凝胶的这些优异特性，GP-TENG在-18°C条件下依然具有卓越的电输出性能（V_OC = 169.99 V，I_SC = 2.60 μA，Q_SC = 57.45 nC）、出色的抗疲劳性（> 5000次连续拍打）以及长期抗冻能力（-18°C低温贮存一个月后的V_OC = 163.58 V）。此外，该抗冻GP-TENG还被用作生物力学传感器和自供电系统，不仅能够在-18°C低温条件下灵敏识别人体不同动作并传输电压信号，直接点亮28个串联的LED元件，还可以为22 μF的商用电容器充电并驱动商用计算器。这项工作不仅为多功能抗冻双网络导电水凝胶的设计和开发提供了新思路，而且拓宽了柔性单电极摩擦纳米发电机在低温极端环境中的应用。

该工作得到了国家自然科学基金（52174247、52374387）、国家自然科学基金联合基金（U23A20138）、湖南省自然科学杰出青年学者基金（2024JJ2029）、湖南省自然科学基金（2023JJ40264）以及湖南省教育厅科学研究基金（23A0430）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109521