生物质资源作为一种可持续资源，在人类的生产生活中扮演了重要的角色。基于特殊结构的生物质摩擦电材料在环境、能源、生物医药以及航空航天等许多领域都扮演了至关重要的角色。可调控的特殊结构赋予了其在不同环境下特定的性能，为了进一步推动相关领域的快速发展，科研人员付出了巨大的努力来开发高性能的生物质摩擦电材料。传统摩擦电材料特殊结构的构建，都离不开复杂的工艺流程，并且往往来自不可持续不可降解的化石资源。尽管这些材料对社会和经济的发展做出了重大贡献，但高温下易分解、低温脆性甚至材料脱复合等问题成为它们所面临的巨大挑战。因此，研发绿色且抗恶劣环境的纤维素基摩擦电材料，符合当今世界可持续发展的大趋势。

  近日，聂双喜教授团队报道了一种通过绿色温和的“三步法”策略所制备的分层多孔纤维素基摩擦电材料。受天然竹材特殊结构的启发，设计了与其结构极为相似的纤维素基摩擦电材料。具体来讲，该策略通过温和的酸水解体系将天然竹材中的木素与半纤维素部分脱除并辅以冷冻干燥，然后通过液相变压法浸渍苯胺单体，随后向体系内加入过硫酸铵，以促成苯胺单体在纤维素支架内自上而下的原位聚合。得益于水解诱导纤维表面所产生的分层多孔结构，该纤维素基摩擦电材料在高温（200℃）、低温（-196℃）和快速热循环冲击（ΔT=396℃）后，仍然能保持85%的摩擦电性能并满足丰富多样的自供电传感类型。这项研究工作为极端环境条件下纤维素基摩擦电材料的构建和应用提供了新的研究思路。相关成果以题为“Hierarchical Porous Cellulosic Triboelectric Materials for Extreme Environmental Conditions”发表在《Small Methods》上。 

【分层多孔纤维素基摩擦电材料的设计与应用理念】

【分层多孔纤维素基摩擦电材料的制备与性能】 

  本文提出的“三步法”策略主要包括简单温和的酸水解并辅以冷冻干燥，然后通过液相变压法浸渍苯胺单体，随后向体系内加入过硫酸铵，使纤维素支架内的苯胺单体自上而下的原位聚合。由于分层多孔纤维素基摩擦电材料的特殊结构，使得摩擦电荷不仅存在于接触面上，还分布在结构网络的表面上，在接触起电与静电感应效应的耦合下，更多感应电荷的产生同样提高了TENGs的电输出性能。相较于普通薄膜材料，分层多孔纤维素基摩擦电材料的特殊结构提供了较大的表面积，同时由于边缘效应而促进了电荷的积累。

  复杂的形貌和恶劣的工作环境，使传统摩擦电材料在能量收集与自供电传感时都面临着巨大的挑战。分层多孔纤维素基摩擦电材料得益于竹材纤维素支架的分层结构，能够很好的保护生长在内部的导电聚合物聚苯胺，使其不被脱落破坏。而纤维素支架的多孔结构保证了聚苯胺在其内部互联互通的致密生长，尽管存在微孔隙，但纳米级的孔道严重阻碍了氧气的进入，也保护了纤维素支架尽可能的不被氧化破坏，而纤维素与聚苯胺的氢键作用也有助于材料在恶劣环境下整体的稳定性。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202200664