抗冻且高导电的石墨烯-明胶有机水凝胶电极，打造可拉伸摩擦纳米发电机【Chem.Eng.J.】

随着可穿戴电子设备和柔性传感器的快速发展，如何为这些设备提供稳定、灵活、自供能的电源成为一大研究热点。摩擦纳米发电机（TENG）因其能够将人体运动等机械能高效转化为电能，成为极具潜力的解决方案。然而，传统的水凝胶电极在低温环境下容易冻结和失水，导致机械脆性和导电性能大幅下降。此外，现有材料在导电性与机械柔韧性之间往往存在权衡，难以兼顾。为解决这些难题，研究人员开始探索具有抗冻、保湿、高拉伸和导电性能的新型复合材料，但实现多种性能的协同优化仍是挑战。

韩国Myongji大学Hern Kim与Yong Tae Park研究团队设计了一种由石墨烯纳米片（GNPs）注入明胶的超分子有机水凝胶（GNP/OHG）。该材料通过溶剂交换法在柠檬酸钠-水/甘油二元溶剂中制备，当明胶预凝胶浸入该混合溶液后，可形成多重氢键与离子交联网络，赋予材料优异的抗冻性能（低至-30°C仍保持柔韧透明）、机械拉伸性（断裂应变330%）以及稳定的电导率。该双溶剂结构不仅防止了冰晶的形成与水分蒸发，还能通过甘油与柠檬酸盐的协同作用显著增强材料的力学韧性。研究团队进一步通过调控GNP含量，构建了导电性可调的有机水凝胶电极，将其应用于摩擦纳米发电机（TENG）中。实验结果显示，优化后的TENG实现了4.5 W/m²的高功率密度，在拉伸、弯曲、折叠等形变下输出稳定，并在8,000次循环接触中保持可靠性能。此外，该器件还能作为高灵敏度生物运动传感器，精准检测手指弯曲、抓握、打字等人体动作，并在-30°C低温及人工汗液环境中保持稳定的电输出。

图1. GNP-OHG及TENG器件制备过程的示意图

该研究成果以“Graphene nanoplatelets-infused gelatin organohydrogel electrodes with antifreezing stability for stretchable triboelectric nanogenerators”为题，发表于国际知名期刊 Chemical Engineering Journal。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177034

本研究成功制备了一种集抗冻、保湿、高拉伸、可回收和高导电性于一体的石墨烯/明胶有机水凝胶，并构建了高性能的可拉伸摩擦纳米发电机。该器件在 -30°C 至 35°C 的宽温度范围内稳定工作，功率密度达 4.5 W/m²，并能准确感知多种人体运动。研究还展示了其在自供电触觉阵列和光热响应方面的多功能潜力。该工作为开发适用于极端环境的柔性自供能电子皮肤和智能人机接口提供了新思路。