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英文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108851

01研究背景

火灾事故是一种全球性挑战，对人类生命构成严重威胁，造成重大的经济损失和环境破坏。小型救援指示器和远程救援电子设备在火灾救援中发挥着重要作用。但这些电子设备依赖传统电池供能，在高温环境下容易失效，且电池的安全隐患、寿命短和对环境的负担也令人担忧。摩擦纳米发电机（TENG）为此提供了一个新的思路。然而，由于热离子发射效应的负面影响和火焰对摩擦电材料的破坏，极大限制了TENG在高温下的电性能。目前，如何确保TENG在高温环境中保持稳定的电性能，已成为TENG发展的关键问题。

02文章概述

近日，王双飞院士团队报道了一种耐火的纤维素摩擦电材料，实现了高温环境下稳定的自供电传感。为了使TENG传感器摆脱高温的干扰，研究人员利用微观结构设计和本征耐火材料的耦合，赋予了纤维素基摩擦电材料优异的耐高温性能（在100 ℃的环境下传感器的输出保持率达到90%）。随后构建了一种救援传感器和小型救援指示设备，并成功应用在火灾救援中的防火服上，可有效感知消防员在火场中的运动。这项成果以题为“Fire-retardant hydroxyapatite/cellulosic triboelectric materials for energy harvesting and sensing at extreme conditions”发表在了《Nano Energy》上，段青山博士为第一作者，聂双喜教授为通讯作者，章志君、赵佳敏、何娟霞、彭伟卿、张叶和刘涛参与研究。

03文章导读

1. 耐火纤维素摩擦电材料的制备

利用异氰酸酯基团（-NCO）和羟基（-OH）的化学反应，并通过真空辅助抽滤方法制备了具有多孔表面和紧密堆积的内部结构的纳米纤维素/羟基磷灰石复合膜。利用该阻燃的纤维素摩擦电材料设计了具有耐高温的TENG，可作为在高温环境下收集生物能源的自供电传感器，对高温环境下的运动感知和火场救援疏散具有重要意义。

2. 耐火纤维素摩擦电材料的表征

通过FT-IR、XRD、EDS和XPS分析了纤维素摩擦电材料的化学结构特征。FT-IR中1720 cm-1处出现氨基甲酸酯基团的信号；XRD分析表明复合膜的结晶度相比于原料有所提高；EDS表明各元素分散均匀；XPS中出现了N的结合能峰；这些确认了接枝反应的成功。另外，通过SEM观察了复合膜的表面结构和截面结构，利用AFM确认了复合膜的表面粗糙度变化。

3. 耐火纤维素摩擦电材料的摩擦电性能

基于纳米纤维素/羟基磷灰石复合膜制备了垂直接触-分离模式的TENG，测试了其室温下的摩擦电性能。与纯纳米纤维素膜相比，其电输出性能有了极大提升（峰值开路电压、短路电流和表面电荷密度分别提高了436.84%、900%和485.71%），且在10000个工作循环中保持了较好的稳定性。通过从20℃-200℃范围的电性能测试，发现其在100 ℃的温度下的输出可达到常温下的90%。并且，它可以为不同容量的电容器充电。

4. 耐火纤维素摩擦电材料的隔热性能

通过TG检测分析了阻燃纤维素摩擦电材料的热稳定性，推测出羟基磷灰石是抵抗高温干扰的关键。通过垂直燃烧实验对比，发现其阻燃特性较传统耐高温隔热材料（醋酸纤维膜、芳纶膜和玻璃纤维膜）有很大进步。在隔热性能测试中，酒精灯加热5分钟后，有该材料隔离的烧杯中心水温比空白组低33.3%；表明其具有一定的隔热性能。

5. 极端条件下的能量收集和自供电传感

防火服在火场救援中保障了消防员的安全，基于耐火纤维素摩擦电材料制备了用于防火服的自供电传感器。研究结果表明，自供电传感器具有良好的无线传感能力。由于阻燃纤维素摩擦电材料具有优异的耐高温和耐火性能，在200℃下仍有18 mV的无线电信号。通过疏水改性，赋予了复合膜优异的疏水性能。这使自供电传感器受到火焰和水的侵蚀后，依然保持较为稳定的无线电输出，满足了消防员反复进出火场的需求。根据其制备的TENG还可以作为自供电救援指示设备，用于疏散火场人员。

04结论

在这项工作中，制备了一种表面多孔、内部紧密堆积的纤维素摩擦电材料。该材料不仅具有耐火性能(500℃)和隔热性能，而且具有优异、稳定的摩擦电性能。在100℃下输出保持率达到常温的90%。单电极自供电传感器可以通过电信号反馈对传感器的环境进行分析。离子交换大大增强了复合膜的疏水性能，即使在火焰和水侵蚀后，其无线电信号仍达到正常情况的75%。这为耐火和隔热摩擦电材料的开发和应用提供了新的思路，在火灾环境下的自供电传感领域显示出突出的潜力和应用前景。