《Materials Today》综述：纤维素摩擦电材料用于极端环境能量收集

材料科学与工程 2023-04-30

随着人类对未知领域的不断探索，如：寒冷的极地、干旱的沙漠、辐射的太空和高压的深海等，人们愈发关注更加便捷且高效的能量收集与转换技术。摩擦纳米发电机（TENG）因其重量轻、成本低、结构简单，能够收集从恶劣环境中的自然能到无处不在的机械能，从空间中的电磁波到人体日常运动中的振动能，已被证明是解决自供电设备在极端环境中不可操作性的新兴候选，显示出其在极端工作环境中的显著兼容性。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TENG在各种极端环境条件的先进应用。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。

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

近日，聂双喜教授课题组在最新一期《Materials Today》上发表了题为“Harvesting energy from extreme environmental conditions with cellulosic triboelectric materials”的综述文章。从宏观纤维束到微观纤维素大分子链的角度探讨了纤维素摩擦电材料调控策略，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

（一）纤维素摩擦电材料概述

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可控的表面化学优势，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，并在宽温度范围、高湿度、高辐射、高腐蚀、高冲击等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

（二）纤维素摩擦电材料的调控机制

从表面化学功能化、离子调控、物理协同作用、力场调控四个角度介绍了纤维素摩擦电材料的调控策略，总结了赋予纤维素摩擦电材料，耐宽温度、耐高湿度、耐腐蚀辐射、耐冲击环境条件的调控方式。

图3. 纤维素的力场调控

（三）纤维摩擦材料在极端环境条件下的应用

大多数摩擦电材料在极端温度（-196℃，200 ℃）环境条件下运行时，往往会面临，高温环境发生降解，低温环境发生脆性断裂现象，这严重限制了在极地探险、航空航天等极端温度环境条件下的应用推广。开发具有耐宽温度的纤维素摩擦电材料，为在极端温度环境条件下应用的优越可行性和成本效益开辟了新的前景。

图4. 耐宽温度范围的纤维素摩擦电材料

TENGs通过将摩擦振动、旋转运动、振荡运动、胀缩运动等多种机械运动转化为电能，但摩擦电材料在机械接触和摩擦过程中会产生严重磨损，特别是在反复的强机械脉冲作用下，会导致工作寿命的显著降低。随着自供电器件在可穿戴柔性领域的广泛应用，对摩擦电材料的机械耐久性和柔韧性提出了更加严格的要求。

图5. 高机械耐久性的纤维素摩擦电材料

总结：本文综述了极端环境条件下纤维素摩擦电材料的调控策略及其进行能量收集和新兴应用的最新进展，展示了纤维素摩擦电材料独特的可调优势和耐受特性，为拓宽纤维素摩擦电材料在先进应用领域提供了一个全新的视角。纤维素独特的多维物理结构和可控的表面化学特性，为其提供了优越的机械性能、结构稳定性和化学修饰性。自供电传感设备在极端环境条件下应用有着广阔的发展前景，未来具有特定耐受性纤维素摩擦电材料有着无限的待开发潜力与前景。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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