广西大学聂双喜教授《Chem. Eng. J.》：超疏水纤维素摩擦电材料

2022-09-19 来源：高分子科技

摩擦电纳米发电机（TENG）的发展使得收集大规模分布式能量成为可能，而一个稳定、反应灵敏的TENG单元结构对于进一步推动蓝色能源的发展尤为重要。此外，在潮湿环境中水分子的渗透会降低TENG的输出性能，并影响TENG电子元件的寿命和可靠性。因此，仍需要设计一种简单有效的策略来制备具有疏水特性的绿色摩擦电材料以进一步拓展其在高湿度环境下的应用潜力。

张宸源等人通过纤维素化学改性制备了超疏水甲基化纤维素摩擦电材料，并设计了具有内部网格结构的矩形TENG（RT-TENG）用于分布式能量收集。在本工作中，十六烷基三甲氧基硅烷用作疏水改性试剂，以交联CNF和二氧化硅纳米颗粒，形成纳米级微结构表面，制备出具有超疏水性能的CNF薄膜。结果表明，改性CNF摩擦电材料具有优异的超疏水性（WCA:154.7°）、表面粗糙度（RMS:72.61）和低表面能。同时甲基的引入也促进了CNF膜的摩擦电性能。此外，内部网格结构的TENG允许冲击力更均匀地施加于摩擦电材料的表面。当其应用于水波能收集时，表现出优异的电输出性能（120 V）和循环稳定性（10000次循环）。本研究为超疏水摩擦电材料的设计和制备提供了新的策略，并指导了分布式能量收集的研究。这项成果以题为“Superhydrophobic cellulosic triboelectric materials for distributed energy harvesting”发表在《Chemical Engineering Journal》上。

图1.RT-TENG的结构设计和工作原理。

TENG结构设计不仅影响其输出性能，还影响实际应用。在本研究中，提出了一种具有内部栅格通道的矩形TENG装置，如图1a所示。多个铁球分散并集成在内部栅格通道内，通过滚动并撞击发电单元以驱动TENG中的摩擦电材料充分接触。此外，内部的齿状结构增加了空间利用效率和接触面积，并提高了RT-TENG输出性能。

图2.甲基化疏水纤维素摩的表征。

纤维素纳米纤维（CNFs）具有广泛的可用性、轻质性和优异的机械性能。同时其丰富的羟基为其提供了可观的可修饰性。甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）用作疏水改性试剂，以交联CNF和二氧化硅纳米颗粒，形成纳米级微结构表面，并提供具有超疏水性能的CNF膜。利用多种表征手段对薄膜表面官能团进行表征以评价表面改性效果。

图3. 甲基化疏水纤维素的摩擦电性能。

为了评估硅烷改性对CNF摩擦电输出的影响，将其作为TENG的正极摩擦材料与FEP膜配对并进行了测试。研究结果表明改性后CNF粗糙表面和甲基的引入促进了CNF膜的摩擦电性能。此外，改性CNF膜具有良好的超疏水性能，在高湿环境下仍然表现出良好的输出性能。

图4. RT-TENG用于分布式能量收集。

总结：综上所述，本工作通过纤维素化学改性得到了超疏水甲基化纤维素，并将其作为摩擦电材料应用于TENG。此外设计了具有内部网格结构的RT-TENG并应用于分布式能量收集。该装置在水波中表现出高效的输出性能、响应性和稳定性。总之，本工作为超疏水摩擦电材料的制备提供了新的策略，并指导了分布式能量收集的研究。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139259

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（责任编辑：xu）

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