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聶雙喜教授 Mater. Today：纖維素摩擦電材料用于極端環(huán)境能量收集
2023-04-27  來(lái)源：高分子科技

  纖維素作為一種天然的大分子生物質(zhì)資源，具有獨(dú)特的物理多維結(jié)構(gòu)和可控表面化學(xué)調(diào)控優(yōu)勢(shì)，在抵抗各種極端環(huán)境條件方面顯示出巨大潛力，正成為新的候選者。近年來(lái)，研究人員通過(guò)合理調(diào)控纖維素的物化特性以及制備方法，賦予了纖維素摩擦電材料良好的耐受特性，大幅拓展了纖維素摩擦電材料在各種極端環(huán)境條件的先進(jìn)應(yīng)用。在此背景下，深入研究多尺度纖維在各種極端環(huán)境條件下的耐受特性規(guī)律，這對(duì)于拓展纖維素基自供電設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。



  近日，廣西大學(xué)邵宇正等人基于纖維素的獨(dú)特耐受特性和巨大的可調(diào)控潛力，從多尺度界面的視角，介紹了纖維素作為摩擦電材料在極端環(huán)境條件下的性能優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)作用原理。探討了極端環(huán)境條件下從宏觀纖維束到微觀纖維素大分子鏈的物理和化學(xué)調(diào)控策略的重要性，包括表面化學(xué)功能化修飾、離子調(diào)控、物理協(xié)同作用以及力場(chǎng)調(diào)控。展示了纖維素摩擦電材料在寬溫度、高濕度、高腐蝕、高輻射等極端環(huán)境條件下的能量收集和新興應(yīng)用，以及未來(lái)的無(wú)限發(fā)展?jié)摿兔媾R挑戰(zhàn)。 


圖1. 多尺度工程制備具有特殊耐受性的纖維摩擦電材料


  纖維素作為地球上儲(chǔ)量最豐富的可持續(xù)生物高分子材料，具有獨(dú)特的物理多維結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)可控的優(yōu)勢(shì)，廣泛存在于綠色植物等生物質(zhì)資源中。與其他介電材料相比，通過(guò)多尺度界面工程合理的物化調(diào)控，可賦予纖維素特定的耐受性，并在各種極端環(huán)境條件下表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性能。 


圖2. 多尺度纖維的界面特性


  當(dāng)摩擦電材料應(yīng)用于極端溫度（-196℃，-200℃）環(huán)境條件時(shí)，大多數(shù)傳統(tǒng)摩擦電材料在高溫下會(huì)降解或在低溫下發(fā)送脆性斷裂，這將大大縮短設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間；在高濕度的工作環(huán)境中，環(huán)境空氣中豐富的水分子會(huì)影響摩擦電材料的表面電荷密度，使表面電荷發(fā)生傳遞、中和或耗散，導(dǎo)致其輸出性能顯著降低；此外，環(huán)境中的高細(xì)菌率和輻射率也是摩擦電材料容易氧化和腐蝕的極其惡劣條件，導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度降低，使用壽命顯著縮短。一般而言，纖維素摩擦電材料調(diào)控的方法分為四種類(lèi)型：表面化學(xué)修飾、離子調(diào)控、物理協(xié)同、力場(chǎng)調(diào)控。目前纖維素摩擦電材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于寬溫度、高濕度、高腐蝕輻射、高沖擊等各種極端環(huán)境條件。 


圖3. 耐高濕度環(huán)境條件的纖維素摩擦電材料 


圖4. 高機(jī)械耐久性的纖維素摩擦電材料


  該項(xiàng)成果以題為“ Harvesting energy from extreme environmental conditions with cellulosic triboelectric materials”發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Materials Today》（IF=26.943）上。碩士研究生邵宇正為第一作者，聶雙喜教授為通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.04.006

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