能源危机和环境污染促使纳米发电机受到关注，尤其是柔性纳米发电机在生物医学领域潜力巨大。但现有设备存在环境毒性、成本高和资源不可再生等问题。因此，开发基于天然纤维素的柔性纳米发电机成为热点，纤维素醋酸酯（CA）是理想材料，不过需要解决其界面结合问题。

近日，福建农林大学与阿尔伯塔大学的研究团队联合开发出一种基于纤维素的柔性混合纳米发电机（PDA@BTO/CA HNG），该设备以其优异的柔韧性、耐用性和生物降解性，为自供电可穿戴生物监测技术开辟了新路径。

研究内容

图 1 PDA@BTO/CA HNG的设计策略

研究团队受mussel黏附蛋白启发，设计了一种将聚多巴胺（PDA）、压电钛酸钡（BTO）纳米颗粒与柔性醋酸纤维素（CA）基质结合的复合结构。如图1所示，这种"三明治"构型的纳米发电机通过静电纺丝技术制备，PDA的引入如同"生物胶水"，大幅增强了BTO与CA之间的界面附着力，使电压输出提升了40%。

图 2 PDA@BTO纳米颗粒的结构与成分表征

电镜观察显示（图2），BTO纳米颗粒呈均匀球形，直径约50nm，表面包覆的PDA层厚度约6.2nm，这一结构不仅提升了材料相容性，还通过氢键和金属配位作用稳定了整体结构。

图 3 PDA@BTO/CA纳米纤维膜的形貌与元素分布分析

而扫描电镜图像（图3）对比显示，经PDA修饰的纳米纤维表面更光滑均匀，有效减少了界面空隙，进一步优化了电学性能。

测试数据显示，该纳米发电机展现出惊人的耐用性——在15000次循环测试中性能几乎无衰减，远超同类材料。其峰值输出电压可达44V，电流6.2μA，在20MΩ负载下功率密度峰值达19.7mW・m⁻²，性能优于多数已报道的纤维素基纳米发电机。

图 4 PDA@BTO/CA HNG在非常规环境中的应用与性能测试

更值得关注的是其极端环境适应性：在80℃高温下电压波动仅2.5V，-196℃液氮环境中仍能输出1.8V稳定信号（图4d-f），甚至在水下也能精准监测手指、手腕运动（图4a-c），这为特殊环境下的监测应用奠定了基础。

在医疗领域，集成到鞋垫中的设备可实时检测跌倒事件，为老年人或患者提供紧急警报；在运动训练中，水下监测功能可分析游泳者动作，助力技术优化。未来，其耐极端环境的特性还可能应用于太空探测机器人等领域。

与传统不可降解的PVDF材料不同，该纳米发电机在土壤掩埋测试中，20天开始碎裂，80天完全降解，而PVDF几乎无变化，完美解决了电子设备的环保难题。

研究团队表示，这种将生物相容性、高性能与环保性结合的设计，为下一代自供电可穿戴设备提供了新思路，有望加速智能健康监测、人机交互等领域的技术突破。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.01.190