广西大学王双飞院士、刘新亮副教授团队 Nano Energy：羟基配位效应构筑防潮抗菌纤维素摩擦电材料

2024-03-14 来源：高分子科技

纤维素是地球上储量最大的环境友好、可生物降解天然有机高分子材料之一，是人类取之不尽用之不竭的宝贵可再生资源。因其良好的介电性能和高的机械性能，在替代石油基聚合物摩擦电材料方面被广泛研究。然而，纤维素固有的丰富氢键网络限制了其极性和供电子能力，富含羟基的吸湿性导致的电荷耗散也限制了其作为摩擦电材料的应用。如何调控纤维素介电性能是纤维素摩擦电领域的重大挑战之一。

近期，广西大学纤维素材料介电性能刘新亮团队采用了一种更方便、更经济、更环保的 "支架手术 "策略（图1），实现了纤维素羟基与Cu（II）配位，调控了纤维素分子氢键网络（图2），构建了新的纤维素偶极子，提高了其介电常数，从而实现纤维素分子空间电荷的调控。Cu（II）与纤维素羟基使其具备了疏水、抗菌的性能（图3），提高了其在高湿度环境下的摩擦起电稳定性（图4），为在高湿度环境中纤维素摩擦纳米电传感器的应用提供了的新思路（图5）。该项研究利用Cu（II）对纤维素结构中的羟基配位，巧妙地限制了形成纤维素偶极矩的羟基自由度和空间电荷分布，为利用调控纤维素介电性能提高了新的策略。相关工作以“Anti-moisture, anti-bacterial cellulosic triboelectric materials enabled by hydroxyl coordination effect”发表在《Nano Energy》。论文的第一作者为广西大学2021级硕士生张品乐，通讯作者为刘新亮副教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1．CNF-Cu (II)摩擦电薄膜的制备与设计

图 2. Cu (II) 插入对纤维素氢键结构的影响

图3.羟基配位作用对其介电性能以及功能化的影响

图 4 .CNF-Cu（II）适应高湿度环境输出性能

图 5 CS-TENG 的无线传感应用

该工作是团队近期在纤维素结构调控与其构效关系研究的最新进展之一。纤维素微结构与其性能间有十分密切的关系，构建特殊的微结构以获得优异的性能是纤维素材料研究的热点之一。团队系统研究了纤维素TEMPO氧化降解动力学和评估模型(Cellulose, (2017). 24, 6: 2415-2425)，采用自下而上的策略，研究了纤维素阻隔材料组装的界面构筑(Progress in Organic Coatings (2020) 149 105907)，系统研究了纳米纤维素在流场中的运动行为，揭示了流场对纳米纤维的取向机制(Cellulose (2021) 28, 7995–8008.)，制备了一系列拉伸强度超过铝、铁等金属的高强度纯纤维素纤维材料(Industrial Crops and Products (2022), 178, 114599.;)。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109472

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（责任编辑：xu）

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