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聂双喜教授AFM综述:可持续的纤维素摩擦电材料

时间：2022-11-08 来源：浏览：

聂双喜教授AFM综述:可持续的纤维素摩擦电材料

Energist 能源学人

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【导读】

能源是我们赖以生存的基础，从最早蒸汽机的发明到后来电力的发明，再到航空业，到近代电子的发明，都是和能源的利用分不开的。长期以来，人类赖以生存的化石能源导致了气候和环境变化。油、煤燃烧过程的不可逆性，也使人类面临能源耗竭的困境。因此，需要大力发展可再生能源、分布式能源来补充以化石能源为主的能源。摩擦纳米发电机作为一种新兴技术被认为是收集分布式能量的有前途手段，将其作为能量收集装置与传感网络结合形成自供电传感系统似乎是理想的解决方案，使其在智能便携设备领域展现出广阔的前景。

【研究背景】

随着先进材料，制造技术和信息技术的协同发展，物联网成为了新一代信息技术的重要组成部分，刺激人们对可穿戴设备、人机交互系统和环境监测系统在内的电子产品的追求。在这种情况下由于电池寿命有限，其作为电子产品的主导电源，容易造成严重的环境污染，TENG作为被公认为收集分布式能量的有前途的手段，可以为电子设备供电并实现自供电传感。同时，为满足可持续发展需求，智能电子设备的发展需要更多地依赖可再生资源，材料的选择成为了关键。相较于传统的高分子材料，纤维素是地球上丰富的可再生生物聚合物，不仅具有优异的环保性能，如可持续性，循环利用性和生物降解性，而且基于其独特的多维结构具有出色的可设计性和多功能性，是一种很有前景的石油基产品替代材料。

【研究内容】

随着物联网的不断发展，电子产品的制造和管理面临严峻的挑战，在不损害自然资源或污染环境的前提下满足人们需求的可持续策略是至关重要的。因此，纤维素、蛋白质、明胶、壳聚糖和海藻酸盐等可降解的摩擦电材料，近年来一直广泛受到关注。相较于其他可持续摩擦电材料，纤维素出色的可再生性，生物降解性，循环利用特性，化学修饰性等优势满足了其作为摩擦电材料的可持续性需求。纤维素摩擦电材料的摩擦电特性和其他功能特性为自供电电子组件设计提供了多样的选择，展示纤维素材料作为一种可持续材料在电子设备的未来研究潜力。本文全面回顾了纤维素摩擦电材料的设计策略和自供电有源传感系统领域的研究，为智能传感系统的可持续性提供了新的视角。

图1 纤维素材料的特性

首先介绍了纤维素摩擦电材料的结构和优势特性。纤维素主要通过1,4-β-糖苷键连接β-D-葡萄糖单体组成，是常见的可再生资源，丰富的极性羟基，赋予其非常高失去电子的倾向，与带负电的材料接触会发生起电效应，展示出优异的摩擦电性能。同时，在绿色环保材料需求的推动下，其作为一种取之不尽用之不竭的可再生物质资源，这近乎无限供应的特性，满足了对摩擦电材料可持续性的需求。

其次，从材料设计和结构优化角度探讨了材料的结构-性能-应用关系。在自供电电子设备中，传感器材料设计的首要要求是获取传感信号和刺激之间的定量关系；其次要求传感器可以获得长期可靠的传感信号。因此，基于纤维素纤维的独特优势，通过讨论纤维素摩擦电材料表面特性的调整和功能化的结构设计，结合纤维素材料的自身优势和先进的加工技术，合理设计自供电传感系统的组件结构，展示纤维素摩擦电材料对自供电电子产品性能的影响。

然后，展示了纤维素摩擦电材料在智能家居、智慧医疗、人机交互、万物互联等智能传感领域的最新应用。摩擦纳米发电机作为一种有前途的能量收集技术，通过与可持续纤维素材料，传感技术相结合解锁了了具有各种功能的自供电传感设备，不仅有稳定的输出信号，还具有可生物降解性、高功率输出和污染物处理等特点。从为自供电系统的小型电子设备供电，到作为环境监测、医疗监测、基础设施识别、人机交互等有源传感器，纤维素基TENG在新一代智能电子产品中展现了重要价值。

图2 环境监测系统

本综述讨论和总结了基于纤维素摩擦电材料的自供电主动传感系统的前景和挑战，展示了纤维素摩擦电材料在高性能、多功能甚至智能化方向的潜力。这项工作可以指导对纤维素摩擦电材料感兴趣的研究人员快速了解自供电电子领域的发展和问题，以及更好地解决未来的能源问题。同时，这些系统的讨论和提出的方向可以为智能传感系统纤维素材料的合理设计提供思路和途径。

Zhiting Wei, Jinlong Wang, Yanhua Liu, Jinxia Yuan, Tao Liu, Guoli Du, Siqiyuan Zhu, Shuangxi Nie, Sustainable Triboelectric Materials for Smart Active Sensing Systems, Advanced Functional Materials.

https://doi.org/10.1002/adfm.202208277

通讯作者简介

聂双喜，广西大学教授，国家高层次青年人才计划入选者。主要从事纤维素绿色制备及功能化方面的应用基础研究，在纸浆清洁漂白及先进纤维素功能材料方面取得系列原创性成果，为我国造纸行业可持续发展提供了有力的科学支撑。共主持省部级以上项目7项，其中国家自然基金3项（面上项目2项）；以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Mater. Today、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等期刊上发表SCI论文60余篇，其中SCI一区论文45篇、影响因子15.0以上的论文22篇；论文被国际同行引用4500余篇次，累计入选ESI热点论文1篇、ESI高被引论文13篇；共获授权发明专利27件，其中5项技术已实现成果转化，转让到校总经费387万元。先后获得“国家技术发明二等奖”、“国家霍英东青年教师奖”、“教育部技术发明一等奖”、“广西科技进步二等奖”、“广西青年五四奖章”、“广西青年科技奖”及“广西创新争先奖”。

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