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王双飞院士团队综述：纤维素摩擦电材料在自供电可穿戴设备中的合理设计及应用
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研究背景
近年来，结构灵活性、续航时间、传感灵敏度和佩戴舒适度作为可穿戴电子设备性能评估的关键指标，正逐渐成为研究人员和产品用户们的关注焦点。纤维素作为来源丰富的天然高分子材料，具有材料形式多样化和应用广泛等特点，在自供电可穿戴领域有着良好的应用拓展。与常见聚合物材料制备而成的可穿戴电子设备相比，基于纤维素的自供电可穿戴电子设备在柔韧性、透气性、功能性和佩戴舒适度等方面具有显著优势。在此背景下，深入探讨纤维素自供电可穿戴电子设备的性能调控策略和材料设计策略具有深远意义。本文就纤维素摩擦电材料的性能调控策略和材料构筑策略进行了总结，并详细综述了先进纤维素基摩擦电材料在自供电可穿戴电子产品中的研究进展。
Rational Design of Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Wearable Electronics
Xiangjiang Meng, Chenchen Cai, Bin Luo, Tao Liu, Yuzheng Shao, Shuangfei Wang, Shuangxi Nie*
Nano-Micro Letters (2023)15: 124
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01094-6
本文亮点
1. 全面总结了纤维素摩擦电材料的合理设计策略，并讨论了不同设计策略对纤维素摩擦电材料表面电荷特性和电荷密度的影响。
2. 重点关注了纤维素基可穿戴电子产品在人体能量收集、触觉传感、健康监测、人机互联和智能火灾预警等领域的应用。
内容简介
与常见聚合物材料制备而成的可穿戴电子设备相比，基于纤维素的自供电可穿戴电子设备在柔韧性、透气性、功能性和佩戴舒适度等方面具有显著优势。广西大学王双飞院士团队聂双喜教授课题组对纤维素摩擦电材料用于自供电可穿戴电子产品的应用进行了系统综述。文章重点关注了纤维素可穿戴电子产品在人体能量收集、触觉传感、健康监测、人机互联和智能火灾预警等领域的应用，详细阐述了纤维素材料构筑过程中自上而下、自下而上和复合材料制备过程的界面特性，从可穿戴电子设备性能需求的角度，探讨了表面电荷极性和电荷密度对纤维素摩擦电材料输出性能的影响，系统讨论了表面功能化、界面结构设计、真空辅助自组装等材料设计方法，为定制设计纤维素基自供电可穿戴电子产品提供了新的视角。
图文导读
I 纤维素摩擦电材料的界面特性
从界面设计的角度出发，介绍了材料制备过程中的界面特性。通过增大界面面积、提高复合材料的介电常数，能有效地改善材料的摩擦电特性，起到增强电荷密度或调控电荷特性的效果。讨论自上而下、自下而上和复合材料的界面特性，对于纤维素功能材料(例如结构材料、薄膜、细丝、气凝胶和泡沫)的摩擦电性能增强具有重要意义，为其在自供电可穿戴领域的应用奠定基础。
图1.自下而上过程中纤维素的界面特性。(a)CNF的提取工艺示意图和CNF外层碳化成高石墨化碳的机理；(b)PANI-rGO/CF复合纸制备示意图；(c)纳米结构 rGO/CF 复合纸中的离子扩散示意图；(d)采用共沉淀法将磁性氧化铁锚定在纤维素纳米球上；(e)导电复合纸的制备过程。
II 纤维素摩擦电材料的性能调制
纤维素摩擦电材料的性能调制对摩擦电输出的稳定性和性能增强具有重要影响。纤维素材料容易在与其他聚合物材料接触的过程中失去电子，从而呈现弱摩擦电正极性。讨论纤维素摩擦电材料的摩擦正极性、摩擦负极性和电荷密度等性能调制思路，可以进一步帮助制备具有高摩擦电性能和强稳定性的材料。
图2. 纤维摩擦电材料的电荷密度。(a)逐层纤维素 II 气凝胶基 TENG 结构示意图；(b)基于纤维素II气凝胶的 TENG 的工作机制；(c)不同外接负载电阻下的电流密度和电压输出；(d)输出峰值功率密度对外部负载电阻的依赖性；(e)不同量的-NH₂处理的CNF的电荷密度；(f)不同量的-SH处理CNF的电荷密度；(g)不同量的-CN处理CNF的电荷密度；(h)不同量CF₂CF₃处理的电荷密度；(i)Alc-S₅-CNF/PVDF TENG装置工作原理示意图；(j)由原始纤维素、CNF-SH和Alc-S₅-CNF 薄膜制成的各种TENG之间的摩擦电输出电流(Isc)的对比；(k)Alc-S₅-CNF/PVDF TENG 的循环耐久性测试；(l)(m)改性CFP-TENG器件，展示了TENG器件的结构设计和不同角度的照片；(n)改性CFP-TENG的工作机制。
III 纤维素自供电可穿戴电子设备的设计策略
近年来，应用于自供电可穿戴传感器领域的纤维素摩擦电材料的种类逐渐增多，材料设计方法对应于材料的应用而言具有重要意义。总结了纤维素摩擦电材料的合理设计策略，包括表面功能化、界面结构控制、真空辅助自组装等。
图3. 表面功能化设计策略。(a)BC/ZnO (ZBC)的制造工艺；(b)使用具有单个电极的垂直接触分离模式的能量产生过程；(c)BC、ZBC1和ZBC2在5 HZ的输出电压；(d)表面改性及TENG结构示意图；(e)TENG的开路电压；(f)PFOTES-CNF 薄膜基 TENG的短路电流；(g)H-TENG的结构示意图；(h)H-TENG 的工作原理；(i)不同体积水滴在相同滴速下产生的 H-TENG 的输出电流。
IV 纤维素自供电可穿戴电子设备的新兴应用
随着无线网络时代的发展，人们对实施可穿戴、便携式生物电子产品的应用需求不断增长。通过对纤维素摩擦电材料进行性能调制和策略调控，使其在人体能量收集、触觉传感、健康监测、人机互联和智能火灾预警等可穿戴电子产品领域有着广泛应用。
图4. 用于触觉传感的可穿戴自供电传感器。(a)由硝化纤维素膜组成的单片摩擦电纳米传感器；(b)运用在指纹检测的单片摩擦纳米传感器；(c)在手指的触碰下，提供敏锐的触觉传感；(d)纤维素基多层膜(CMLF)；(e)纤维素基多层膜用作触摸密码开关；(f)具有高灵敏性纤维素基多层膜TENG；(g)棉织物触觉传感器；(h)触觉传感器的组成；(i)触觉传感器的接触分离过程；(j)实时反馈物体的相对硬度；(k)双模式TENG用于触觉传感器；(l)双模式TENG的组成；(m)不同材料在双模式TENG下的短路电流输出；(n)摩擦电信号随着施加力的增大而增大。
作者简介
蒙香江
本文第一作者
广西大学 硕士研究生
▍主要研究领域
(1)纤维素功能材料构筑；(2)自供电可穿戴传感系统。
▍主要研究成果
广西大学轻工与食品工程学院硕士研究生，在《Advanced Materials》、《Materials Today》、《Nano Energy》、《Advanced Science》、《Nano-Micro Letters》等国际高水平期刊发表SCI论文7篇。致力于纤维素功能材料的构筑和自供电传感系统的研究。
聂双喜
本文通讯作者
广西大学 教授
▍主要研究领域
(1)木质纤维清洁分离；(2)先进纤维素材料与功能纸构筑。
▍主要研究成果
广西大学教授，博士生导师，广西杰青。主要从事纤维素绿色制备及功能化研究。主持国家及省部级科研项目12项，其中国基面上项目2项；以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Mater. Today、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等国际知名期刊发表论文70余篇，其中ESI热点论文4篇，ESI高被引论文20篇，近五年共被引用5900余次，H指数47；授权专利30项，其中美国、加拿大等国外专利4件，6项技术已产业化，转让到校总经费387万元；曾获国家技术发明二等奖、国家霍英东青年教师奖、广西青年科技杰出贡献奖、教育部技术发明一等奖及广西青年五四奖章等省部级以上荣誉奖励8项；目前担任精细化工青年学者委员会副主任委员，受邀担任中国工程院院刊Frontiers of Chemical Science and Engineering、eScience、Advanced Powder Materials等期刊的青年编委。
▍Email：nieshuangxi@gxu.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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