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廣西大學(xué)王雙飛院士、劉新亮副教授團隊 Nano Energy：羥基配位效應(yīng)構(gòu)筑防潮抗菌纖維素摩擦電材料
2024-03-14  來源：高分子科技

  纖維素是地球上儲量最大的環(huán)境友好、可生物降解天然有機高分子材料之一，是人類取之不盡用之不竭的寶貴可再生資源。因其良好的介電性能和高的機械性能，在替代石油基聚合物摩擦電材料方面被廣泛研究。然而，纖維素固有的豐富氫鍵網(wǎng)絡(luò)限制了其極性和供電子能力，富含羥基的吸濕性導(dǎo)致的電荷耗散也限制了其作為摩擦電材料的應(yīng)用。如何調(diào)控纖維素介電性能是纖維素摩擦電領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。


  近期，廣西大學(xué)纖維素材料介電性能劉新亮團隊采用了一種更方便、更經(jīng)濟、更環(huán)保的 "支架手術(shù) "策略（圖1），實現(xiàn)了纖維素羥基與Cu（II）配位，調(diào)控了纖維素分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)（圖2），構(gòu)建了新的纖維素偶極子，提高了其介電常數(shù)，從而實現(xiàn)纖維素分子空間電荷的調(diào)控。Cu（II）與纖維素羥基使其具備了疏水、抗菌的性能（圖3），提高了其在高濕度環(huán)境下的摩擦起電穩(wěn)定性（圖4），為在高濕度環(huán)境中纖維素摩擦納米電傳感器的應(yīng)用提供了的新思路（圖5）。該項研究利用Cu（II）對纖維素結(jié)構(gòu)中的羥基配位，巧妙地限制了形成纖維素偶極矩的羥基自由度和空間電荷分布，為利用調(diào)控纖維素介電性能提高了新的策略。相關(guān)工作以“Anti-moisture, anti-bacterial cellulosic triboelectric materials enabled by hydroxyl coordination effect”發(fā)表在《Nano Energy》。論文的第一作者為廣西大學(xué)2021級碩士生張品樂，通訊作者為劉新亮副教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。 


圖1．CNF-Cu (II)摩擦電薄膜的制備與設(shè)計


 圖 2. Cu (II) 插入對纖維素氫鍵結(jié)構(gòu)的影響


 圖3.羥基配位作用對其介電性能以及功能化的影響


 圖 4 .CNF-Cu（II）適應(yīng)高濕度環(huán)境輸出性能


 圖 5 CS-TENG 的無線傳感應(yīng)用


  該工作是團隊近期在纖維素結(jié)構(gòu)調(diào)控與其構(gòu)效關(guān)系研究的最新進展之一。纖維素微結(jié)構(gòu)與其性能間有十分密切的關(guān)系，構(gòu)建特殊的微結(jié)構(gòu)以獲得優(yōu)異的性能是纖維素材料研究的熱點之一。團隊系統(tǒng)研究了纖維素TEMPO氧化降解動力學(xué)和評估模型(Cellulose, (2017). 24, 6: 2415-2425)，采用自下而上的策略，研究了纖維素阻隔材料組裝的界面構(gòu)筑(Progress in Organic Coatings (2020) 149 105907)，系統(tǒng)研究了納米纖維素在流場中的運動行為，揭示了流場對納米纖維的取向機制(Cellulose (2021) 28, 7995–8008.)，制備了一系列拉伸強度超過鋁、鐵等金屬的高強度純纖維素纖維材料(Industrial Crops and Products (2022), 178, 114599.;)。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109472

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