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  2025年8月1日，北京化工大學許海軍教授課題組以題為“In-situ photocatalysis enabled preparation of high-performance flexible inductive electrodes in triboelectric nanogenerators”發表在Chemical Engineering Journal上，報道了一種低成本的原位光催化制備高性能電極的方法，實現了摩擦納米發電機（TENG）性能的顯著提升。該技術僅需日光照射即可在疏水性聚合物表面原位生長銀納米顆粒（AgNPs）電極，使用激光最快可在1分鐘內完成生長，材料成本不足0.1美元，性能媲美10萬美元級磁控濺射工藝，為可穿戴能源器件提供了工業化新路徑。2023級碩士生吳東城為第一作者，閆文杰講師和許海軍教授為共同通訊作者。

一、背景痛點：傳統電極的“雙枷鎖”

  摩擦納米發電機（TENG）作為物聯網自供能核心器件，其感應電極的性能直接決定能量轉化效率。然而當前主流金屬膠帶電極存在兩大技術瓶頸：

  1.粘合劑層增厚感應距離（6-30 μm），導致最大表面電荷密度（σ?）衰減（σ?∝1/感應距離）；

  2.彈性應變下永久變形，無法滿足可穿戴設備反復彎折需求；

  此外，已有方案價格昂貴，如磁控濺射、銀納米線（AgNWs）等替代方案，但動輒10萬美元設備成本或1.4美元/片材料成本（AgNWs）制約產業化應用。

二、突破瓶頸：陽光驅動的原位納米“生長術”

  團隊開發出原位光催化生長AgNPs電極技術，通過三步破解傳統技術難題：

  1.光觸發還原：將FEP/PTFE等基膜浸入硝酸銀+檸檬酸鈉溶液中，利用光催化反應（日光、LED光、紫外光、激光等）在基膜表面直接生長AgNPs；

  2.微米缺陷修復：AgNPs填充基膜表面微米級凹坑，使感應距離再縮短；

  3.微量AgNWs復合：引入0.25 mg銀納米線（成本0.035美元）構建“AgNWs-AgNPs”混合結構，實現應變緩沖。

三、技術優勢：

  原位光催化AgNPs電極技術具有獨特的優勢：

  1.TENG性能飆升：較傳統Cu膠帶電極的電荷密度提高了187%，充電速度快了11倍；

  2.成本降低99%：材料成本＜0.1美元/片，復合電極銀納米線用量僅需傳統方案的2.5%；

  3.普適性極強：兼容10余種聚合物基底，包括強疏水材料FEP、PTFE和PDMS；

  4.機械穩定性強：100%拉伸時電阻變化率僅24.57，優于純AgNWs電極（54.00），20%應變下循環10,000次，電阻僅從9Ω增至200Ω。

四、落地應用：從可穿戴傳感到自供能物聯網

  基于該電極的AA-TENG器件已實現多場景驗證：

• 人體運動監測：貼附于關節（肘/膝/腕）實時識別彎曲角度，電壓信號差異顯著；

• 觸壓傳感：手指輕觸（≈2N）即可產生1~1.8V可調電壓；

• 定制化電極：通過模具實現矩形/圓形/三角形等復雜圖案精準制備，適配微型電子設備。

  工業價值：該技術首次將光催化合成與摩擦納米發電機的電極制造融合，突破“低成本”與“高性能”不可兼得的產業困局。相比磁控濺射（設備＞10萬美元）或銀納米線（材料＞1.4美元/片），新方案以溶液法成本實現真空工藝級性能，同時支持萬次拉伸穩定供電。論文作者強調，該方法"無需復雜儀器，為大多數實驗室提供即用型電極方案"，為可穿戴設備量產掃除關鍵障礙。

圖1. AgNPs 電極的制備與性能。(a) 靜電感應距離與最大面電荷密度 σ? 之間的理論關系；(b) 制備工藝示意圖；(c) AgNPs-TENG 與 Cu-TENG 的結構設計對比；(d) 采用不同電極的 TENG 的轉移電荷密度對比；(e) 傳統 Cu 膠帶電極與 AgNPs 電極在彎曲應變下的適應性；(f) AgNPs 與少量 AgNWs 組成的雜化電極具有高度可拉伸的彈性。

圖2. 銀納米粒子的合成與表面形貌，(a) 原位光催化法制備 AgNPs 電極的過程示意圖，(b) AgNPs 電極實物照片，(c) 在 FEP 薄膜上合成的 AgNPs 電極的 XPS 分析，(d-e) AgNPs 電極沉積表面的 SEM 圖像，(g) 以日光為光源制備的 AgNPs 電極的 SEM 圖像，(h) 以紫外光為光源制備的 AgNPs 電極的 SEM 圖像，(i) 以 532 nm 激光（2400 mW/cm2）為光源制備的 AgNPs 的 SEM 圖像，(j) 使用不同類型光源完成反應所需的時間。

圖3. AgNPs-TENG 的輸出性能，(a) AgNPs-TENG 與 Cu-TENG 的結構示意圖，(b) 在 10 N 壓力下 TENG 的接觸效率，(c) AgNPs-TENG 的轉移電荷密度，(d) Cu-1-TENG 的轉移電荷密度，(e) Cu-2-TENG 的轉移電荷密度，(f) 在 10 N 壓力下，當 FEP 薄膜厚度為 15、30、50、100 μm 時，AgNPs-TENG 與 Cu-TENG 的轉移電荷密度對比，(g) 不同感應距離下 TENG 的轉移電荷密度，(h) 開路電壓，(i) 短路電流，(j) 當 FEP 薄膜厚度為 15、30、50、100 μm 時，AgNPs-TENG 與磁控濺射電極 TENG 的轉移電荷密度對比。

圖4. AgNPs-AgNWs 電極及 AA-TENG 的結構設計與性能，(a) AgNPs-AgNWs 電極與純 AgNWs 電極的結構示意圖及其 SEM 圖像，(b) 電極在 0–100 % 橫向應變下的可拉伸實物照片，(c) 不同拉伸應變下電極電阻的相對變化，(d) AgNPs-AgNWs 電極在 20 % 拉伸應變下相對電阻的循環穩定性測試，(e) AA-TENG 結構示意圖，(f–h) AA-TENG 在不同拉伸應變下的輸出性能。

圖5. AgNPs-TENG 與 Cu-TENG 的應用對比，(a) 不同形狀的 AgNPs 電極，(c) 應用實驗的完整電路實物圖，(d) 主要電子元件參數示意圖，(e) AgNPs-TENG 對不同容量電容的充電速度，(f) Cu-TENG 與 AgNPs-TENG 對 0.47 mF 電容的充電速度對比，(g) AgNPs-TENG 穩定驅動 24 顆 LED 時的電壓，(h) Cu-TENG 穩定驅動 3 顆 LED 時的電壓。

圖6. AA-TENG 的實物圖及其在人體上的傳感特性，(a) AA-TENG 在人體各部位佩戴位置的示意圖，(b) 不同手指觸碰時產生的電壓信號，(c) 輕觸與重觸過程中測得的電壓信號，(d) 握拳動作產生的電壓信號，(e) 手腕彎曲時產生的電壓信號，(f) 肘部彎曲時產生的電壓信號，(g) 將 AA-TENG 貼附于膝蓋時測得的電壓信號。

論文信息
  標題：In-situ photocatalysis enabled preparation of high-performance flexible inductive electrodes in triboelectric nanogenerators

  期刊：Chemical Engineering Journal 521 (2025) 166526

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166526

  機構：北京化工大學數理學院