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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，具有獨特的物理多維結(jié)構(gòu)和可控表面化學(xué)調(diào)控優(yōu)勢，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，研究人員通過合理調(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)勢和設(shè)計作用原理。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，以及未來的無限發(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量最豐富的可持續(xù)生物高分子材料，具有獨特的物理多維結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)可控的優(yōu)勢，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，大多數(shù)傳統(tǒng)摩擦電材料在高溫下會降解或在低溫下發(fā)送脆性斷裂，這將大大縮短設(shè)備的正常運行時間；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)致其機械強度降低，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型：表面化學(xué)修飾、離子調(diào)控、物理協(xié)同、力場調(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. 高機械耐久性的纖維素摩擦電材料


  該項成果以題為“ Harvesting energy from extreme environmental conditions with cellulosic triboelectric materials”發(fā)表在國際學(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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