纤维素摩擦电材料在自供电可穿戴设备中的合理设计及应用

2. 重点关注了 纤维素基可穿戴电子产品 在人体能量收集、触觉传感、健康监测、人机互联和智能火灾预警等领域的应用。

与常见聚合物材料制备而成的可穿戴电子设备相比，基于纤维素的自供电可穿戴电子设备在柔韧性、透气性、功能性和佩戴舒适度等方面具有显著优势。 广西大学王双飞院士团队聂双喜教授课题组 对纤维素摩擦电材料用于自供电可穿戴电子产品的应用进行了系统综述。文章重点关注了纤维素可穿戴电子产品在人体能量收集、触觉传感、健康监测、人机互联和智能火灾预警等领域的应用，详细阐述了纤维素材料构筑过程中自上而下、自下而上和复合材料制备过程的界面特性，从可穿戴电子设备性能需求的角度，探讨了表面电荷极性和电荷密度对纤维素摩擦电材料输出性能的影响，系统讨论了表面功能化、界面结构设计、真空辅助自组装等材料设计方法，为定制设计纤维素基自供电可穿戴电子产品提供了新的视角。

I   纤维素摩擦电材料的界面特性

从界面设计的角度出发，介绍了材料制备过程中的界面特性。通过增大界面面积、提高复合材料的介电常数，能有效地改善材料的摩擦电特性，起到增强电荷密度或调控电荷特性的效果。讨论自上而下、自下而上和复合材料的界面特性，对于纤维素功能材料(例如结构材料、薄膜、细丝、气凝胶和泡沫)的摩擦电性能增强具有重要意义，为其在自供电可穿戴领域的应用奠定基础。

图1. 自下而上过程中纤维素的界面特性。(a)CNF的提取工艺示意图和CNF外层碳化成高石墨化碳的机理；(b)PANI-rGO/CF复合纸制备示意图；(c)纳米结构 rGO/CF 复合纸中的离子扩散示意图；(d)采用共沉淀法将磁性氧化铁锚定在纤维素纳米球上；(e)导电复合纸的制备过程。

I I   纤维素摩擦电材料的性能调制

纤维素摩擦电材料的性能调制对摩擦电输出的稳定性和性能增强具有重要影响。纤维素材料容易在与其他聚合物材料接触的过程中失去电子，从而呈现弱摩擦电正极性。讨论纤维素摩擦电材料的摩擦正极性、摩擦负极性和电荷密度等性能调制思路，可以进一步帮助制备具有高摩擦电性能和强稳定性的材料。

图2. 纤维摩擦电材料的电荷密度。(a)逐层纤维素 II 气凝胶基 TENG 结构示意图；(b)基于纤维素II气凝胶的 TENG 的工作机制；(c)不同外接负载电阻下的电流密度和电压输出；(d)输出峰值功率密度对外部负载电阻的依赖性；(e)不同量的-NH₂处理的CNF的电荷密度；(f)不同量的-SH处理CNF的电荷密度；(g)不同量的-CN处理CNF的电荷密度；(h)不同量CF₂CF₃处理的电荷密度；(i)Alc-S₅-CNF/PVDF TENG装置工作原理示意图；(j)由原始纤维素、CNF-SH和Alc-S₅-CNF 薄膜制成的各种TENG之间的摩擦电输出电流(Isc)的对比；(k)Alc-S₅-CNF/PVDF TENG 的循环耐久性测试；(l)(m)改性CFP-TENG器件，展示了TENG器件的结构设计和不同角度的照片；(n)改性CFP-TENG的工作机制。

I I I   纤维素自供电可穿戴电子设备的设计策略

图3. 表面功能化设计策略。(a)BC/ZnO (ZBC)的制造工艺；(b)使用具有单个电极的垂直接触分离模式的能量产生过程；(c)BC、ZBC1和ZBC2在5 HZ的输出电压；(d)表面改性及TENG结构示意图；(e)TENG的开路电压；(f)PFOTES-CNF 薄膜基 TENG的短路电流；(g)H-TENG的结构示意图；(h)H-TENG 的工作原理；(i)不同体积水滴在相同滴速下产生的 H-TENG 的输出电流。

IV    纤维素自供电可穿戴电子设备的新兴应用

随着无线网络时代的发展，人们对实施可穿戴、便携式生物电子产品的应用需求不断增长。通过对纤维素摩擦电材料进行性能调制和策略调控，使其在人体能量收集、触觉传感、健康监测、人机互联和智能火灾预警等可穿戴电子产品领域有着广泛应用。

图4. 用于触觉传感的可穿戴自供电传感器。(a)由硝化纤维素膜组成的单片摩擦电纳米传感器；(b)运用在指纹检测的单片摩擦纳米传感器；(c)在手指的触碰下，提供敏锐的触觉传感；(d)纤维素基多层膜(CMLF)；(e)纤维素基多层膜用作触摸密码开关；(f)具有高灵敏性纤维素基多层膜TENG；(g)棉织物触觉传感器；(h)触觉传感器的组成；(i)触觉传感器的接触分离过程；(j)实时反馈物体的相对硬度；(k)双模式TENG用于触觉传感器；(l)双模式TENG的组成；(m)不同材料在双模式TENG下的短路电流输出；(n)摩擦电信号随着施加力的增大而 增大。

Tel:  021-34207624

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