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  開發高性能、可回收利用的多孔纖維素基摩擦電材料是能量收集領域的熱點之一，提高比表面積是纖維素基摩擦電材料提升輸出性能的一個重要策略。然而，纖維素基多孔材料內部結構調控與摩擦電性能之間的詳細關系尚未有系統研究。并且，傳統的制備過程中水凍干會導致體積膨脹擠壓作用破壞原有結構，溶劑置換需要消耗大量溶劑。因此，尋求快速高效、節省溶劑、簡單易行的高比表面積纖維素氣凝膠膜基摩擦電材料制備方法，是生物質基高性能摩擦電材料領域中一項重要挑戰。

  近期，武漢理工大學熊傳溪-楊全嶺教授團隊利用TEMPO氧化法制備的纖維素納米纖維(TOCN)水/叔丁醇混合分散液，直接冷凍干燥制備出具有超大比表面積的氣凝膠和氣凝膠膜基摩擦電正極材料。該方法無需傳統的凝膠化及有機溶劑置換過程，主要通過控制冷凍速率和混合溶劑中叔丁醇含量調節所制備的氣凝膠膜結構參數，能大幅減少有機溶劑消耗并提升制備效率（圖1，圖2）。不同于凝膠冷凍過程，分散液中的TOCN具有更好的可運動性，更易受到水結冰時膨脹擠壓及張力誘導聚集等不利影響而減少多孔材料的比表面積（圖3）。通過在水分散液中加入叔丁醇可以減少這種不利因素，最佳工藝被確定為40%叔丁醇濃度和液冷冷凍工藝（圖4）。SEM圖像中可以清楚的觀察到隨著叔丁醇含量增加，制備的多孔材料由水膨脹擠壓的蜂窩海綿狀結構到超多介孔的氣凝膠結構的轉變。同時，冷凍速率的提升與表面張力的下降均有益于纖維素納米纖維在凝固過程中減少聚集以獲得更高比表面積和孔隙率。該工藝制備的纖維素納米纖維氣凝膠和氣凝膠膜的比表面積分別達245.3 m²/g和134.1 m²/g。將此純纖維素氣凝膠膜與該課題組先前報道的取向PVDF材料組成3×3 cm² 摩擦電納米發電機(TENG)器件，能夠輸出開路電壓104 V, 短路電流8.3 μA和瞬間功率密度156 mW/m²，性能超過了大部分已報道的純纖維素基摩擦電器件，且表現出優異的穩定性，可有效用于人體運動能量收集等領域（圖5）。同時，這些使用后的納米纖維素氣凝膠膜能夠直接在水中通過攪拌均質處理再次成為納米分散狀態，可進一步加工成氣凝膠膜反復使用。并且，其制備的納米發電機輸出性能未出現明顯下降，顯示出優異的可再加工性（圖6）。本工作報道的這種快速高效、節能低耗、可循環利用的高性能纖維素氣凝膠膜基摩擦電材料將在摩擦電材料與器件領域具有廣泛的應用前景。

  該工作以“Ultra-porous cellulose nanofibril aerogel films as excellent triboelectric positive materials via direct freeze-drying of dispersion”發表于Nano Energy, 2022, 103, 107832中，文章第一作者為武漢理工大學博士生宋毅恒和碩士生包江鍇，通訊作者為楊全嶺教授和石竹群副教授。

圖6 TOCN氣凝膠膜再處理和再利用工藝示意圖(a);基于初始TOCN氣凝膠膜(b, e)、一次回收TOCN氣凝膠膜(c, f)和兩次回收TOCN氣凝膠(d, g)的TENG器件的BET分析和輸出電壓。

  原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107832