广西大学王双飞院士团队聂双喜教授课题组《Materials Today》：液体能量收集与利用

造纸工业属于能源密集型产业，降低造纸工业的能源需求亟待造纸工业技术和装备体系朝着高端化和绿色化发展。造纸工业中存在大量的液-固摩擦情况，液体或者纸浆悬浮液与固体的摩擦，纤维素与液体的摩擦等现象深刻影响着造纸工业生产和纸张质量。收集、转化并有效应用液-固摩擦起电的能量，将降低造纸工业的能源需求，符合碳中和所提出的要求。液-固摩擦纳米发电机可以通过简单的方式从不同水环境中获取机械能并将其转化为电能。此外，摩擦起电造成的许多影响在我们的生活或造纸工业（造成细小纤维的堆积、污染物沉积等）中都是不受欢迎的。因此，了解控制摩擦电材料的基本策略和方法是非常必要的，既为有意义的能量收集和应用强化液-固摩擦起电效应提供思路，也为在一些特殊的应用场景需要弱化液-固摩擦起电效应提供依据。

【成果简介】

鉴于此，广西大学王双飞院士团队聂双喜教授课题组系统性地回顾了液体性质和固体性质对液固界面间相互作用和界面间双电层的影响，为进一步研究和理解造纸配料组分的胶体科学和表面化学奠定了基础。同时，回顾了液体动能收集与转化的研究进展，为实现可持续、高效的湿部化学测量与控制系统奠定应用研究基础。相关研究成果以“Advanced triboelectric materials for liquid energy harvesting and emerging application”为题，发表在Materials Today期刊上，论文第一作者为2020级博士研究生蔡晨晨和罗斌，通讯作者为聂双喜教授，广西大学为唯一完成单位。

【内容详情】

提高材料的摩擦电性能

虽然有许多方法可以控制材料的摩擦电性能来控制液-固摩擦起电，但结果往往需要更多的发展。各种影响因素的存在更是增加了控制难度。对于化学功能化，可以通过添加纳米结构或重组官能团来改变材料的疏水性；此外，在液固摩擦起电过程中，固体表面电荷密度对输出性能起着重要的作用。较高的表面电荷密度可以获得较高的输出性能。通过引入官能团和电荷等化学功能化方法可以有效地提高固体表面电荷密度从而改变固体材料的摩擦电性能，最终提高液-固摩擦起电。此外，提高液体材料的摩擦电性能是L-S TENGs成功开发的另一个关键方面。系统研究液体材料性质如离子类型、离子浓度、液体pH值、介电常数、极性、液体类型、粘度、表面张力等对液-固摩擦起电过程的影响，对于控制这一过程具有重要意义。

弱化材料的摩擦电性能

对于弱化液-固摩擦起电，可以从减少液固之间电子转移次数的角度来考虑。一方面，液-固摩擦起电也会造成严重的不良后果。当静电电荷积累到一定程度时，就会发生放电现象，造成安全事故。特别是对于易燃液体的运输，如石油、柴油等，有必要减少它们与管道或储罐之间的电子传递。首先，通过化学反应引入官能团可以从避免电荷产生的角度来降低材料的摩擦电性能。值得注意的是液固界面接触分离是电荷形成的关键因素。如果水可以停留在固体表面，它将屏蔽更多的电荷，这将大大降低TENG的输出性能。在很多的研究中，用亲水聚合物、导电材料、自由基清除剂等化学方法处理固体材料的表面，已经证明可以很大程度上减少摩擦起带产生的电荷。

图1用于控制液-固摩擦起电的化学功能化策略。

图2液-固摩擦纳米发电机的发展。

【总结与展望】

本文系统地介绍了近年来利用化学功能化技术控制材料摩擦电性能的研究进展。着重介绍了一系列化学功能化策略，特别是针对液体材料的控制策略，通过修饰材料的表面结构和组成来增强或弱化材料的摩擦电性能。同时，对化学功能化控制的摩擦电材料的应用领域进行了讨论和总结。尽管近年来这一领域取得了迅速和有前景的进展，但未来有效和简化的控制材料摩擦电性能的策略仍然面临一些挑战。本文从机理、材料、应用范围等方面对化学功能化技术在固体表面改性和液体材料改性等方面存在的问题和挑战进行了分析和讨论。并对今后在摩擦电材料的控制和应用方面的研究突破进行了展望。

Chenchen Cai, Bin Luo, Yanhua Liu, Qiu Fu, Tao Liu, Shuangfei Wang, Shuangxi Nie, Advanced triboelectric materials for liquid energy harvesting and emerging application, Materials Today, http://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.034

作者信息：

蔡晨晨，博士研究生

蔡晨晨，广西大学王双飞院士团队聂双喜教授课题组2020级博士研究生。主要方向为基于造纸湿部化学的接触起电现象和能量收集研究。

罗斌，博士研究生

罗斌，广西大学王双飞院士团队聂双喜教授课题组2020级博士研究生。主要方向为基于造纸湿部化学的接触起电现象和能量收集研究。

聂双喜，广西大学教授、博士生导师

“国家技术发明奖”和“霍英东青年教师奖”获得者。长期致力于纸浆清洁漂白的应用基础研究，在二氧化氯漂白领域取得了一系列重要成果。近五年共主持省部级以上项目5项，其中国家自然基金面上项目和地区基金各1项，广西自然基金重点项目和青年基金各1项。以第一/通讯作者在Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy等期刊上发表SCI论文47篇，其中SCI一区论文34篇、影响因子15.0以上的论文8篇。论文被国际同行引用2700余次，累计入选ESI热点论文1篇、ESI高被引论文12篇。共获授权发明专利27件，其中5项技术已实现成果转化，转让到校总经费387.34万元。