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  隨著摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）在分布式能源收集和自供電傳感等領(lǐng)域的快速發(fā)展，可持續(xù)和高性能的摩擦電材料的開(kāi)發(fā)和利用成為了研究的熱點(diǎn)。然而，高濕環(huán)境下摩擦電材料工作性能較弱，限制了TENGs作為傳感器的廣泛應(yīng)用。為了制備高性能摩擦電材料，通常構(gòu)造特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)來(lái)提高TENG在高濕環(huán)境中的性能，而模板法是構(gòu)造特定形態(tài)的首選策略之一。因此，利用模板法來(lái)開(kāi)發(fā)一種高濕環(huán)境下性能優(yōu)良的摩擦電材料備受期待。

  針對(duì)該問(wèn)題，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)"先進(jìn)木質(zhì)纖維材料"課題組以天然纖維素為模板制備了親水性摩擦電材料，為高濕環(huán)境下實(shí)時(shí)自供電傳感提供可持續(xù)輸出。研究發(fā)現(xiàn)，該摩擦電材料具有高靈敏度(0.8/1%)和高穩(wěn)定性(150 s)的良好性能，能夠在高濕環(huán)境下進(jìn)行可視化濕度傳感和呼吸監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)成果以題為“Cellulose template-based triboelectric nanogenerators for self-powered sensing at high humidity”發(fā)表在《Nano Energy》上。文章通訊作者為聶雙喜教授。

  天然竹材具有在多個(gè)維度上組裝不同層次結(jié)構(gòu)的先天優(yōu)勢(shì)，不同的層次結(jié)構(gòu)賦予了竹材宏觀上優(yōu)越的性能�；谀０宸�(gòu)筑纖維素基摩擦電材料主要分為“脫木素”和“減壓浸漬”工藝。首先從天然竹材中去除木質(zhì)素與半纖維素以制備分層多孔的纖維素支架。然后將纖維素支架浸入Ti₃C₂T_x溶液中進(jìn)行減壓浸漬。最終材料具有高的親水性和獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)為其后續(xù)作為濕敏摩擦電材料提供無(wú)限應(yīng)用潛力。 

圖1. 基于纖維素模板摩擦電材料的制備。

  將該材料作為TENG正極摩擦材料在不同濕度環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，該濕敏摩擦電材料能夠在較寬的濕度范圍內(nèi)保持高靈敏度、高穩(wěn)定性的優(yōu)異性能。實(shí)驗(yàn)證明了濕敏纖維素摩擦電材料對(duì)濕度進(jìn)行無(wú)線實(shí)時(shí)傳感的可行性。 

圖2. 纖維摩擦電材料的濕敏特性。

  基于這種可靠的監(jiān)測(cè)方式，設(shè)計(jì)了可視化無(wú)線實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)，使傳感信息更加便捷。實(shí)驗(yàn)證明，該材料能夠在高濕環(huán)境下進(jìn)行可視化非接觸濕度傳感和呼吸監(jiān)測(cè)�；谠摬牧系�自供電可視化設(shè)計(jì)更加符合萬(wàn)物互聯(lián)的理念并能夠便捷的接收生物信號(hào)。 

圖3. 高濕環(huán)境下纖維素摩擦電材料用于自供電傳感。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108196