2025年8月1日，北京化工大学许海军教授课题组以题为“In-situ photocatalysis enabled preparation of high-performance flexible inductive electrodes in triboelectric nanogenerators”发表在Chemical Engineering Journal上，报道了一种低成本的原位光催化制备高性能电极的方法，实现了摩擦纳米发电机（TENG）性能的显著提升。该技术仅需日光照射即可在疏水性聚合物表面原位生长银纳米颗粒（AgNPs）电极，使用激光最快可在1分钟内完成生长，材料成本不足0.1美元，性能媲美10万美元级磁控溅射工艺，为可穿戴能源器件提供了工业化新路径。2023级硕士生吴东城为第一作者，闫文杰讲师和许海军教授为共同通讯作者。

一、背景痛点：传统电极的“双枷锁”

  摩擦纳米发电机（TENG）作为物联网自供能核心器件，其感应电极的性能直接决定能量转化效率。然而当前主流金属胶带电极存在两大技术瓶颈：

  1.粘合剂层增厚感应距离（6-30 μm），导致最大表面电荷密度（σ?）衰减（σ?∝1/感应距离）；

  2.弹性应变下永久变形，无法满足可穿戴设备反复弯折需求；

  此外，已有方案价格昂贵，如磁控溅射、银纳米线（AgNWs）等替代方案，但动辄10万美元设备成本或1.4美元/片材料成本（AgNWs）制约产业化应用。

二、突破瓶颈：阳光驱动的原位纳米“生长术”

  团队开发出原位光催化生长AgNPs电极技术，通过三步破解传统技术难题：

  1.光触发还原：将FEP/PTFE等基膜浸入硝酸银+柠檬酸钠溶液中，利用光催化反应（日光、LED光、紫外光、激光等）在基膜表面直接生长AgNPs；

  2.微米缺陷修复：AgNPs填充基膜表面微米级凹坑，使感应距离再缩短；

  3.微量AgNWs复合：引入0.25 mg银纳米线（成本0.035美元）构建“AgNWs-AgNPs”混合结构，实现应变缓冲。

三、技术优势：

  原位光催化AgNPs电极技术具有独特的优势：

  1.TENG性能飙升：较传统Cu胶带电极的电荷密度提高了187%，充电速度快了11倍；

  2.成本降低99%：材料成本＜0.1美元/片，复合电极银纳米线用量仅需传统方案的2.5%；

  3.普适性极强：兼容10余种聚合物基底，包括强疏水材料FEP、PTFE和PDMS；

  4.机械稳定性强：100%拉伸时电阻变化率仅24.57，优于纯AgNWs电极（54.00），20%应变下循环10,000次，电阻仅从9Ω增至200Ω。

四、落地应用：从可穿戴传感到自供能物联网

  基于该电极的AA-TENG器件已实现多场景验证：

• 人体运动监测：贴附于关节（肘/膝/腕）实时识别弯曲角度，电压信号差异显著；

• 触压传感：手指轻触（≈2N）即可产生1~1.8V可调电压；

• 定制化电极：通过模具实现矩形/圆形/三角形等复杂图案精准制备，适配微型电子设备。

  工业价值：该技术首次将光催化合成与摩擦纳米发电机的电极制造融合，突破“低成本”与“高性能”不可兼得的产业困局。相比磁控溅射（设备＞10万美元）或银纳米线（材料＞1.4美元/片），新方案以溶液法成本实现真空工艺级性能，同时支持万次拉伸稳定供电。论文作者强调，该方法"无需复杂仪器，为大多数实验室提供即用型电极方案"，为可穿戴设备量产扫除关键障碍。

图1. AgNPs 电极的制备与性能。(a) 静电感应距离与最大面电荷密度 σ? 之间的理论关系；(b) 制备工艺示意图；(c) AgNPs-TENG 与 Cu-TENG 的结构设计对比；(d) 采用不同电极的 TENG 的转移电荷密度对比；(e) 传统 Cu 胶带电极与 AgNPs 电极在弯曲应变下的适应性；(f) AgNPs 与少量 AgNWs 组成的杂化电极具有高度可拉伸的弹性。

图2. 银纳米粒子的合成与表面形貌，(a) 原位光催化法制备 AgNPs 电极的过程示意图，(b) AgNPs 电极实物照片，(c) 在 FEP 薄膜上合成的 AgNPs 电极的 XPS 分析，(d-e) AgNPs 电极沉积表面的 SEM 图像，(g) 以日光为光源制备的 AgNPs 电极的 SEM 图像，(h) 以紫外光为光源制备的 AgNPs 电极的 SEM 图像，(i) 以 532 nm 激光（2400 mW/cm2）为光源制备的 AgNPs 的 SEM 图像，(j) 使用不同类型光源完成反应所需的时间。

图3. AgNPs-TENG 的输出性能，(a) AgNPs-TENG 与 Cu-TENG 的结构示意图，(b) 在 10 N 压力下 TENG 的接触效率，(c) AgNPs-TENG 的转移电荷密度，(d) Cu-1-TENG 的转移电荷密度，(e) Cu-2-TENG 的转移电荷密度，(f) 在 10 N 压力下，当 FEP 薄膜厚度为 15、30、50、100 μm 时，AgNPs-TENG 与 Cu-TENG 的转移电荷密度对比，(g) 不同感应距离下 TENG 的转移电荷密度，(h) 开路电压，(i) 短路电流，(j) 当 FEP 薄膜厚度为 15、30、50、100 μm 时，AgNPs-TENG 与磁控溅射电极 TENG 的转移电荷密度对比。

图4. AgNPs-AgNWs 电极及 AA-TENG 的结构设计与性能，(a) AgNPs-AgNWs 电极与纯 AgNWs 电极的结构示意图及其 SEM 图像，(b) 电极在 0–100 % 横向应变下的可拉伸实物照片，(c) 不同拉伸应变下电极电阻的相对变化，(d) AgNPs-AgNWs 电极在 20 % 拉伸应变下相对电阻的循环稳定性测试，(e) AA-TENG 结构示意图，(f–h) AA-TENG 在不同拉伸应变下的输出性能。

图5. AgNPs-TENG 与 Cu-TENG 的应用对比，(a) 不同形状的 AgNPs 电极，(c) 应用实验的完整电路实物图，(d) 主要电子元件参数示意图，(e) AgNPs-TENG 对不同容量电容的充电速度，(f) Cu-TENG 与 AgNPs-TENG 对 0.47 mF 电容的充电速度对比，(g) AgNPs-TENG 稳定驱动 24 颗 LED 时的电压，(h) Cu-TENG 稳定驱动 3 颗 LED 时的电压。

图6. AA-TENG 的实物图及其在人体上的传感特性，(a) AA-TENG 在人体各部位佩戴位置的示意图，(b) 不同手指触碰时产生的电压信号，(c) 轻触与重触过程中测得的电压信号，(d) 握拳动作产生的电压信号，(e) 手腕弯曲时产生的电压信号，(f) 肘部弯曲时产生的电压信号，(g) 将 AA-TENG 贴附于膝盖时测得的电压信号。

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

  期刊：Chemical Engineering Journal 521 (2025) 166526

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166526

  机构：北京化工大学数理学院