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聶雙喜教授 Mater. Today：纖維素摩擦電材料用于極端環境能量收集

2023-04-27 來源：高分子科技

纖維素作為一種天然的大分子生物質資源，具有獨特的物理多維結構和可控表面化學調控優勢，在抵抗各種極端環境條件方面顯示出巨大潛力，正成為新的候選者。近年來，研究人員通過合理調控纖維素的物化特性以及制備方法，賦予了纖維素摩擦電材料良好的耐受特性，大幅拓展了纖維素摩擦電材料在各種極端環境條件的先進應用。在此背景下，深入研究多尺度纖維在各種極端環境條件下的耐受特性規律，這對于拓展纖維素基自供電設備應用領域的發展具有重要意義。

近日，廣西大學邵宇正等人基于纖維素的獨特耐受特性和巨大的可調控潛力，從多尺度界面的視角，介紹了纖維素作為摩擦電材料在極端環境條件下的性能優勢和設計作用原理。探討了極端環境條件下從宏觀纖維束到微觀纖維素大分子鏈的物理和化學調控策略的重要性，包括表面化學功能化修飾、離子調控、物理協同作用以及力場調控。展示了纖維素摩擦電材料在寬溫度、高濕度、高腐蝕、高輻射等極端環境條件下的能量收集和新興應用，以及未來的無限發展潛力和面臨挑戰。

圖1. 多尺度工程制備具有特殊耐受性的纖維摩擦電材料

纖維素作為地球上儲量最豐富的可持續生物高分子材料，具有獨特的物理多維結構和表面化學可控的優勢，廣泛存在于綠色植物等生物質資源中。與其他介電材料相比，通過多尺度界面工程合理的物化調控，可賦予纖維素特定的耐受性，并在各種極端環境條件下表現出較高的穩定性能。

圖2. 多尺度纖維的界面特性

當摩擦電材料應用于極端溫度（-196℃，-200℃）環境條件時，大多數傳統摩擦電材料在高溫下會降解或在低溫下發送脆性斷裂，這將大大縮短設備的正常運行時間；在高濕度的工作環境中，環境空氣中豐富的水分子會影響摩擦電材料的表面電荷密度，使表面電荷發生傳遞、中和或耗散，導致其輸出性能顯著降低；此外，環境中的高細菌率和輻射率也是摩擦電材料容易氧化和腐蝕的極其惡劣條件，導致其機械強度降低，使用壽命顯著縮短。一般而言，纖維素摩擦電材料調控的方法分為四種類型：表面化學修飾、離子調控、物理協同、力場調控。目前纖維素摩擦電材料已經廣泛應用于寬溫度、高濕度、高腐蝕輻射、高沖擊等各種極端環境條件。

圖3. 耐高濕度環境條件的纖維素摩擦電材料

圖4. 高機械耐久性的纖維素摩擦電材料

該項成果以題為“ Harvesting energy from extreme environmental conditions with cellulosic triboelectric materials”發表在國際學術期刊《Materials Today》（IF=26.943）上。碩士研究生邵宇正為第一作者，聶雙喜教授為通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.04.006

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（責任編輯：xu）

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