Bionic wood-inspired structure enables aerogel film triboelectric material with humidity adaptation-Qingshan Duan

摩擦纳米发电机（TENG）能够从自然界中收集离散机械能并将其转化为电能，可作为分布式电源和自供电传感器，在物联网的新时代展现出广阔的发展前景。但在高湿度环境中，TENG的性能通常受到影响；粘附在摩擦层表面的水分子会带走表面电荷，从而导致电荷耗散和功率输出降低，这极大地限制了TENG的发展。虽然包封和疏水处理能增强TENG的防潮性能，但通常成本高、难度大且可能造成环境污染等问题。因此，开发具有高输出性能和湿度适应性的绿色摩擦电材料具有重要意义。

02文章概述

近日，王双飞院士团队受天然木材各向异性结构的启发，通过定向冷冻干燥辅助机械压缩工艺制备了一种具有优异湿度适应性和摩擦电性能的壳聚糖/聚乙烯醇纵向气凝胶薄膜（CP-LAF）。分层有序的多孔结构和粗糙的表面增强了TENG的摩擦电性能。更重要的是，基于CP-LAF的TENG对高湿度环境具有很强的适应性和稳定性，在99 %RH 的环境下，其输出电压是50 %RH的情况下的 1.6 倍。此外，经过 5000 次工作循环后，其电气性能几乎没有下降。该工作以题为“Bionic wood-inspired structure enables aerogel film triboelectric material with humidity adaptation”发表在《Chemical Engineering Journal》上，研究生张叶、彭伟卿和博士生章志君为共同第一作者，段青山博士为通讯作者，何娟霞博士、许贝、宋旭玲、栗剑锋、罗懿、聂双喜教授、梁东武副研究员参与研究。

03文章导读

1.仿生气凝胶膜的设计策略、制备与结构

受木材各向异性结构的启发，设计了一种具有分层孔隙结构的仿生纵向气凝胶薄膜（LAF）。CP-LAF由CS和PVA的混合溶液通过定向冷冻干燥辅助机械压缩法制备而成。在定向冷冻过程中，模具底部与冷源接触，形成自下而上的温度梯度，将CS和PVA相从水溶液中分离出来，有序的冰晶开始沿着底部生长，形成聚合物的浓缩混合物。排列整齐的冰模板与溶质一起使材料形成垂直排列的结构。通过冷冻干燥，冰晶会升华为水蒸气，留下由CS/PVA壁连接的平行层状多孔结构气凝胶。为了提高材料的尺寸稳定性，气凝胶沿着与冰晶生长方向垂直的方向被压缩，得到了CP-LAF。

2.基于CP-AF的摩擦电材料的特性分析

CS和PVA之间优异的界面相容性有助于气凝胶通过压缩从松散的多孔结构转变为致密薄膜。气凝胶薄膜的结构对其表面形态、孔隙率、孔径和比表面积等性能有很大影响。在气凝胶薄膜的制备过程中，CS和PVA可以形成氢键，包括CS分子上的羟基和氨基以及PVA分子上的羟基之间的相互作用。

3.CP-AF摩擦电材料的摩擦电性能

以CP-AF为正摩擦电层，FEP膜为负摩擦电层，Cu为电极，制备了一种接触分离模式的TENG。气凝胶薄膜的结构对TENG的性能起着重要作用。CP-LAF具有较高的比表面积，为静电感应提供了更多的形成位点；材料的纵向排列结构形成整齐紧密的排列结构，有助于更集中的静电感应；此外，粗糙的微纳米表面增加有效接触面积。因此，以CP-LAF制备的TENG（CL-TENG）具有更高的输出电压。而且，它具有良好的稳定性和作为自供电电源的潜力。

4. CP-LAF摩擦电材料在不同湿度条件下的摩擦电性能

评估了CP-LAF摩擦电材料在10 ~99 % RH范围内短时间下的适应性。另外，还测量了CP-LAF在不同吸湿饱和状态下的电性能，进一步研究了湿度对电性能的影响。结果表明，CP-LAF的多孔结构提供了更多的接触位点，增强了亲水基团在潮湿环境中与水分子形成强氢键的能力，允许结合的水分子参与摩擦充电过程，且CP-LAF和尼龙摩擦电的相对极性可以被水分子反转，并逐渐变大。

5．用于自供电传感和人体运动无线蓝牙监测的CP-LAF及可重复利用性

通过研究开路电压信号在不同场景下的变化，评估了CP-LAF在自供电传感中的潜在应用。研究表明，开路电压与受到的压力成正比，具备作为自供电压力传感器的潜力，且能识别人体肘部的摆动频率和人体运动状态。最重要的是，此传感器不受环境湿度的影响，具有广泛的适用性。CP-LAF可以在室温下溶解于醋酸水溶液中，并可生产重复使用的再生气凝胶膜；且能在3个回收周期后仍能保持良好的摩擦电性能。

04结论

本研究受天然木材的微观结构启发，采用定向冷冻干燥辅助机械压缩法制备了一种仿生分层多孔结构气凝胶膜基摩擦电材料。这种材料具备优越和稳定的输出性能，在极端潮湿的环境（99 % RH，5000 次循环）中也表现出卓越的稳定性，并且可回收利用。当暴露于99%RH的湿度饱和度下，TENG的电气性能可以保持在日常环境中的160%，使其适用于自供电传感和人体运动的无线监测。本研究为提高具有湿度适应性和稳定性的摩擦电材料的开发和利用提供了一种创新思路，所开发的材料在高湿度条件下的自供电传感器应用中显示出良好的潜力和前景。