Small Methods | 摩擦电新材料来了：抗恶劣环境的纤维素摩擦电材料

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受天然竹材特殊结构的启发，科研人员设计了与其结构极为相似的纤维素基摩擦电材料。具体来讲，该策略通过温和的酸水解体系将天然竹材中的木素与半纤维素部分脱除并辅以冷冻干燥，然后通过液相变压法浸渍苯胺单体，随后向体系内加入过硫酸铵，以促成苯胺单体在纤维素支架内自上而下的原位聚合。得益于水解诱导纤维表面所产生的分层多孔结构，该纤维素基摩擦电材料在高温（200℃）、低温（-196℃）和快速热循环冲击（ΔT=396℃）后，仍然能保持85%的摩擦电性能并满足丰富多样的自供电传感类型。这项研究工作为极端环境条件下纤维素基摩擦电材料的构建和应用提供了新的研究思路。

背景介绍

传统的合成聚合物材料在能源工程领域被广泛的应用，然而它们通常来源于在自然环境中难以降解的化石资源，因此给环境的可持续发展带来巨大的挑战。将绿色的生物质资源开发为先进的功能材料，成为世界实现可持续发展所面临的重大问题。

图文解读

1. 分层多孔纤维素基摩擦电材料的设计与应用理念

天然竹材具有在多个尺度上组装不同层次结构的先天能力，不同的层次结构赋予了竹材宏观上优越的性能。这些层次结构的构建，离不开其内部纳米级结构单元（如纤维素与木质素）的贡献，而纤维素与木质素之间“互利共赢”的模式又共同促进了竹材优越的宏观性能。大自然巧妙的设计了这一切，这种结构与功能之间的关系，启发我们设计了与天然竹材结构极为相似的分层多孔纤维素基摩擦电材料。

图1. 基于“三步法”策略所制备的竹材衍生摩擦电材料及其用于抗恶劣环境后的能量收集与自供电传感

2. 分层多孔纤维素基摩擦电材料的制备与性能

复杂的形貌和恶劣的工作环境，使传统摩擦电材料在能量收集与自供电传感时都面临着巨大的挑战。“三步法”策略所制备的纤维素基摩擦电材料，受益于竹材纤维素支架的分层多孔结构，使得摩擦电荷不仅存在于接触面上，还分布在结构网络的表面上，因此该材料的摩擦电性能得到了质的提升。不仅如此，特殊的结构能够很好的保护生长在内部的导电聚合物，使其不被脱落破坏。而纤维素支架的多孔结构保证了聚苯胺在其内部互联互通的致密生长，尽管存在微孔隙，但纳米级的孔道严重阻碍了氧气的进入，也保护了纤维素支架尽可能的不被氧化破坏，而纤维素与聚苯胺的氢键作用也有助于材料在恶劣环境下整体的稳定性。

图2. 分层多孔纤维素基摩擦电材料的制备和抗恶劣环境后的能量收集与自供电传感

总结与展望

综上所述，该研究采用特殊的“三步法”策略，成功的设计并制备了一种独特的分层多孔纤维素基摩擦电材料，该材料所组装的TENGs在经历极端工作条件后，仍然具有稳定的能量收集和传感性能。同时，这项研究代表了一种绿色和温和的合成方法来生成摩擦电材料表面的微纳米结构，与以前的报告相比，依赖于使用有害蚀刻剂的恶劣加工条件更具有使用价值。简而言之，特殊设计的纤维素基摩擦电材料具有优越的摩擦电性能（1.1 W/m²）和耐极端条件下稳定的能量收集以及自供电传感性能，并且成本低、易降解、可持续。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smtd.202200664

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