优化的摩擦电纳米发电机可以监测青少年的异常步态

由长春东北师范大学的陈伟林领导的一个致力于设计能量转换装置的团队最近设计了一种基于改变多金属氧酸盐纳米形态的摩擦电纳米发电机，用于青少年步态监测。灵活、轻便、便携的摩擦电纳米发电机目前广泛应用于可穿戴设备领域，在步态监测方面具有潜在的应用价值。该团队设计的纳米发电机可以灵敏地捕捉青少年的异常步态，这可以推进该领域的研究

该团队于2025年1月13日在《纳米研究》上发表了他们的论文。

“在这篇文章中，我们的研究团队利用多金属氧酸盐纳米材料的优势，选择POMs纳米棒作为摩擦电材料，组装了一个摩擦电纳米发电机，并进行了一系列性能测试以确认性能的提高。此外，我们还通过测试验证了设备性能提高的原因。我们将性能优化的设备应用于青少年步态监测，并取得了良好的效果，”该文章的通讯作者、东北师范大学化学学院教授陈伟林说

在过去的几十年里，通过将POM作为功能和结构单元构建成纳米结构来合成的多金属氧酸盐（POM）纳米材料得到了广泛的研究。它们具有POM优异的物理和化学性能，以及传统材料所缺乏的尺寸小、表面形态丰富、比表面积大的优点

近年来，可再生清洁能源的开发利用已成为研究热点。陈教授领导的团队近年来发表了几篇关于聚甲醛在TENG领域应用的文章，揭示了聚甲醛在TENG应用中的独特潜力

陈教授说：“我们希望扩大多金属氧酸盐的应用领域，利用多金属氧酸酯纳米材料的优势，探索它们在纳米发电机领域的潜在价值。”

该团队使用六种不同尺寸的POM纳米棒（Ag4SiW12O40·nH2O）作为摩擦电材料，通过POM（H4SiW12O40·nH2O4）的自组装合成，组装TENG。由直径为100 nm、长度为400-1000 nm的纳米棒组成的TENG具有最佳性能，其电压、电流密度和电荷分别为104.3 V、1127.1μa‧m−2和15.38 nC，是由POM（H4SiW12O40·nH2O）组成的TEN的两倍多

经过优化的TENG在1000秒的稳定性测试中保持了约100 V的电压。在500 MΩ的外部电阻下，最大功率为25.2μW。与POM TENG相比，纳米棒TENG性能提高的原因是粗糙度和表面电位的增加，这通过AFM和KPFM测试得到了证实

该团队已经确定，POMs纳米棒TENG可以实现显著的性能改进，为摩擦电材料的选择提供了新的思路，为多金属氧酸盐的化学研究提供了新视角

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青少年正处于骨骼发育的关键时期，在此期间，不正确的步态不仅会影响他们的外表，还会导致弯曲的姿势、低运动能力和运动损伤的风险增加。及时监测青少年的异常步态对他们的身体健康和发展至关重要

陈教授的团队将优化的TENG应用于不同青少年的左脚和右脚，以监测异常步态。电压的变化可以灵敏地显示步态的不一致和异常情况。这项研究证实了POMs纳米材料作为摩擦电材料的潜力和独特优势，并为步态监测提供了一个设计方案。

展望未来，该团队表示，他们将对POMs纳米棒TENG在步态监测中的应用进行更深入的研究，并努力尽快将这一应用带出实验室。“我们将继续通过POM材料的设计和改性，为TENG领域开发更多性能优异的POM纳米材料，”陈伟林说

中国研究团队包括来自中国吉林省长春市东北师范大学的郝一佳、拓吉、张静和陈伟林 More information: Yijia Hao et al, Triboelectric nanogenerator based on changing the nanomorphology of polyoxometalates for gait monitoring of teenagers, Nano Research (2024). DOI: 10.26599/NR.2025.94907192

Journal information: Nano Research