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  隨著摩擦納米發(fā)電機（TENGs）在分布式能源收集和自供電傳感等領域的快速發(fā)展，可持續(xù)和高性能的摩擦電材料的開發(fā)和利用成為了研究的熱點。然而，高濕環(huán)境下摩擦電材料工作性能較弱，限制了TENGs作為傳感器的廣泛應用。為了制備高性能摩擦電材料，通常構造特定的形態(tài)結構來提高TENG在高濕環(huán)境中的性能，而模板法是構造特定形態(tài)的首選策略之一。因此，利用模板法來開發(fā)一種高濕環(huán)境下性能優(yōu)良的摩擦電材料備受期待。

  針對該問題，王雙飛院士團隊"先進木質纖維材料"課題組以天然纖維素為模板制備了親水性摩擦電材料，為高濕環(huán)境下實時自供電傳感提供可持續(xù)輸出。研究發(fā)現(xiàn)，該摩擦電材料具有高靈敏度(0.8/1%)和高穩(wěn)定性(150 s)的良好性能，能夠在高濕環(huán)境下進行可視化濕度傳感和呼吸監(jiān)測。這項成果以題為“Cellulose template-based triboelectric nanogenerators for self-powered sensing at high humidity”發(fā)表在《Nano Energy》上。文章通訊作者為聶雙喜教授。

  天然竹材具有在多個維度上組裝不同層次結構的先天優(yōu)勢，不同的層次結構賦予了竹材宏觀上優(yōu)越的性能。基于模板法構筑纖維素基摩擦電材料主要分為“脫木素”和“減壓浸漬”工藝。首先從天然竹材中去除木質素與半纖維素以制備分層多孔的纖維素支架。然后將纖維素支架浸入Ti₃C₂T_x溶液中進行減壓浸漬。最終材料具有高的親水性和獨特的孔道結構為其后續(xù)作為濕敏摩擦電材料提供無限應用潛力。 

圖1. 基于纖維素模板摩擦電材料的制備。

  將該材料作為TENG正極摩擦材料在不同濕度環(huán)境中進行測試。研究發(fā)現(xiàn)，該濕敏摩擦電材料能夠在較寬的濕度范圍內保持高靈敏度、高穩(wěn)定性的優(yōu)異性能。實驗證明了濕敏纖維素摩擦電材料對濕度進行無線實時傳感的可行性。 

圖2. 纖維摩擦電材料的濕敏特性。

  基于這種可靠的監(jiān)測方式，設計了可視化無線實時傳感系統(tǒng)，使傳感信息更加便捷。實驗證明，該材料能夠在高濕環(huán)境下進行可視化非接觸濕度傳感和呼吸監(jiān)測。基于該材料的自供電可視化設計更加符合萬物互聯(lián)的理念并能夠便捷的接收生物信號。 

圖3. 高濕環(huán)境下纖維素摩擦電材料用于自供電傳感。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108196