聂双喜教授 Mater. Today：纤维素摩擦电材料用于极端环境能量收集

2023-04-27 来源：高分子科技

纤维素作为一种天然的大分子生物质资源，具有独特的物理多维结构和可控表面化学调控优势，在抵抗各种极端环境条件方面显示出巨大潜力，正成为新的候选者。近年来，研究人员通过合理调控纤维素的物化特性以及制备方法，赋予了纤维素摩擦电材料良好的耐受特性，大幅拓展了纤维素摩擦电材料在各种极端环境条件的先进应用。在此背景下，深入研究多尺度纤维在各种极端环境条件下的耐受特性规律，这对于拓展纤维素基自供电设备应用领域的发展具有重要意义。

近日，广西大学邵宇正等人基于纤维素的独特耐受特性和巨大的可调控潜力，从多尺度界面的视角，介绍了纤维素作为摩擦电材料在极端环境条件下的性能优势和设计作用原理。探讨了极端环境条件下从宏观纤维束到微观纤维素大分子链的物理和化学调控策略的重要性，包括表面化学功能化修饰、离子调控、物理协同作用以及力场调控。展示了纤维素摩擦电材料在宽温度、高湿度、高腐蚀、高辐射等极端环境条件下的能量收集和新兴应用，以及未来的无限发展潜力和面临挑战。

图1. 多尺度工程制备具有特殊耐受性的纤维摩擦电材料

纤维素作为地球上储量最丰富的可持续生物高分子材料，具有独特的物理多维结构和表面化学可控的优势，广泛存在于绿色植物等生物质资源中。与其他介电材料相比，通过多尺度界面工程合理的物化调控，可赋予纤维素特定的耐受性，并在各种极端环境条件下表现出较高的稳定性能。

图2. 多尺度纤维的界面特性

当摩擦电材料应用于极端温度（-196℃，-200℃）环境条件时，大多数传统摩擦电材料在高温下会降解或在低温下发送脆性断裂，这将大大缩短设备的正常运行时间；在高湿度的工作环境中，环境空气中丰富的水分子会影响摩擦电材料的表面电荷密度，使表面电荷发生传递、中和或耗散，导致其输出性能显著降低；此外，环境中的高细菌率和辐射率也是摩擦电材料容易氧化和腐蚀的极其恶劣条件，导致其机械强度降低，使用寿命显著缩短。一般而言，纤维素摩擦电材料调控的方法分为四种类型：表面化学修饰、离子调控、物理协同、力场调控。目前纤维素摩擦电材料已经广泛应用于宽温度、高湿度、高腐蚀辐射、高冲击等各种极端环境条件。

图3. 耐高湿度环境条件的纤维素摩擦电材料

图4. 高机械耐久性的纤维素摩擦电材料

该项成果以题为“ Harvesting energy from extreme environmental conditions with cellulosic triboelectric materials”发表在国际学术期刊《Materials Today》（IF=26.943）上。硕士研究生邵宇正为第一作者，聂双喜教授为通讯作者。

原文链接：http://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.04.006

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（责任编辑：xu）

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