【文献解读】Adv. Energy Mater. 生物质摩擦纳米发电机-材料，结构与应用

背景介绍

随着全世界能源需求的增加和化石能源消耗加剧，新能源器件的发展逐渐受到广泛关注，而在如今这个信息化的时代里，环境友好、经济耐用、加工性高的智能可穿戴、可植入电子器件正成为能源领域研究的主要目标，尤其是结构简单、能量转换效率高的摩擦纳米发电机（TENGs）。

而对于TENGs来说，除了风能、水能等较大的能量来源，环境中还有许多随机能源可供利用，如雨滴、走路、身体摇晃等，这些都是来自于天气的纯绿色能源。但目前TENGs多用电池供电，无法长期稳定供能，且设备更换周期短，容易导致大量报废设备的淘汰和积累，因此难以避免对环境和生物体造成严重影响。

TENGs通常由导电电极和电负性差异较大的高分子带电片层组成，由于正负层间的极性差异，当两膜接触后，由于接触带电效应，两层表面会产生正负静电荷；当两片层用外力分开后，传感电极间产生的电势差会使电子在外电路间流动。片层得失电子的能力与自身对电荷的亲和性有关，因此负电层上通常包含强亲电子的氟元素以此来提高能量转换效率，但也不可避免存在使用和材料降解的问题。

为了解决这些问题，开发高效且环保的TENGs，多种纯天然生物质材料被广泛应用于制备生物质摩擦纳米发电机（bios-TENGs）（图1）。

浙江大学的平建峰教授课题组近日在Adv. Energy Mater.上发表综述《Biotriboelectric Nanogenerators: Materials, Structures, and Applications》，分别从生物质片层的特性、结构设计及原理、潜在应用等方面阐述了bios-TENGs的优势。

图1. 天然材料基bios-TENGs。

1.生物质材料和传统塑料

塑料多来源于石油基产品逐步加聚或缩聚形成，循环方式包括再造粒和燃烧技术，塑料基薄膜的稳定性好，但不便于处理和循环使用，因此可选用的塑料种类有限，且对有机体有害。天然材料能通过官能团影响对电荷的亲和性和保留性，进而改变薄膜性能，材料制备简单且环境友好，降解过程无害，可设计性能满足不同需求。常见的天然高分子可分为多糖、蛋白质、脂质等三大类，包括纤维素、壳聚糖、淀粉及聚乳酸、海藻酸、动植物蛋白等。以壳聚糖为例，壳聚糖中带正电的氨基有很强的摩擦起电能力，同时还能和其他材料复合来调节摩擦电极性和输出性能。

2.结构设计

bio-TENGs的结构可分为三种（图2）：

（1）垂直接触-分离结构：在电势差的驱动下，电子通过接触-分离在膜间来回流动，产生交流电，这种结构多用于制备带正电的电层，其片层需要额外的支撑材料；

（2）单电极结构：只有一个感应电极连到薄膜上，另一电极无固定位置甚至接地，灵敏性高，但由于电极的静电屏蔽作用，输出性能较差；

（3）独立式摩擦电层结构：不需要克服摩擦效应，理论转化率可达100%，有利于设计新的器件结构，能量转化和输出性能更高。

图2. 生物质基bio-TENGs的工作原理。

3.应用

由于原材料和结构设计的优越性，bio-TENGs可输出高功率，制备自供电传感器并用于医学领域如体外敷料和植入医疗器械。未来bio-TENGs在人体的健康管理、农业自供电传感等领域也有广阔的发展前景。例如对环境湿度和温度敏感的生物材料适合做成自驱动传感器，1D和2D传感器的结合能实现对3D信号的探测和控制，基于bio-TENGs的人-机器相互作用体系能用于3D行为控制接口，用于执行多种多功能操作的机器人操纵器。

图3. bio-TENGs自驱动传感器。

总结与挑战

目前摩擦纳米发电机所用的电极多为不可降解的金属电极或纳米材料，因此开发可完全降解的生物发电机极为重要，而由于大多数生物材料摩擦带正电，如何增强材料对电荷的亲和性也是亟待解决的问题当发电机作为植入体或体内电源时，材料对健康的潜在影响也需要更多评估。

原文链接

https://doi.org/10.1002/aenm.202002001

往期推荐

为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。

加群请联系小编（微信号：biomass12345），并注明研究单位和科研方向。