先進功能材料：纖維素II氣凝膠摩擦納米發電機，實時檢測人體運動

1要點與重點

1. 纖維素II氣凝膠在綠色無機熔融鹽水合物溶劑（三水合溴化鋰）中的溶解-再生過程中製成。

2. 製成的纖維素II氣凝膠具有互連的開孔3D網絡結構，更高的柔韌性，高孔隙率和221.3 m2/ g的高表面積，這種結構優勢給予TENG出色的機械響應靈敏度和電輸出性能。

3. 通過與殼聚糖和海藻酸等其他天然多糖共混，將供電子基團和吸電子基團引入到複合纖維素II氣凝膠，可大幅度改善TENG的摩擦電性能。

4．該TENG可以點亮發光二極體，可用在商用電容器充電，為計算器供電以及監視人體運動。

2背景

大自然中的機械能是人類寶貴的可持續能源。摩擦電納米發電機（TENG）可以將機械能轉換為電能。由於高功率密度，低成本，輕便和出色的可製造性，TENG在能源供應方面具有很大的希望。然而，TENG的原材料通常是不可再生和不可持續的合成聚合物。因此，以可再生天然聚合物為原料的TENG很有吸引力。

纖維素是由通過β（1,4）-糖苷鍵連接的葡萄糖單元組成的線性聚合物具有許多優點，如可更新性、可持續性、生物相容性和生物降解性。許多研究已使用纖維素來開發TENG，但是大多數是以纖維素基薄膜來組裝TENG。氣凝膠具有低密度，高多孔網絡結構和高比表面積的優點，與現有TENG的薄膜同類產品相比，可以提供優異的電氣性能。

美國喬治亞理工學院的王忠林團隊在《先進功能材料》發表了Cellulose II Aerogel‐Based Triboelectric Nanogenerator，他們構建了一種以纖維素氣凝膠為基礎的TENG，該TENG可用於機械能收集器和自供電傳感器。纖維素氣凝膠是通過無機熔融鹽水合物（三水合溴化鋰，LiBr·3H2O）作為溶劑溶解並再生製成的，在此過程中，天然纖維素（纖維素I）轉化為再生纖維素（纖維素II）。該方法產生的纖維素II氣凝膠具有大量的中孔，因而具有更大的表面積，顯著提高了TENG的性能。此外，在纖維素II氣凝膠的製造過程中均勻地形成了連續的纖維素纖維網絡，它具有柔軟而堅固的特性。因此，基於纖維素II氣凝膠的TENG具有出色的機械響應靈敏度和高電輸出性能。通過與其他天然多糖共混以引入給電子和吸電子基團，作者製造了一系列具有各種摩擦極性的纖維素II氣凝膠，這可大幅度改善TENG的電性能。

3結果與討論

3.1纖維素II氣凝膠的製備和表徵

為了製備纖維素II材料，先使用LiBr·3H2O溶解纖維素，然後使其再生。纖維素在LiBr·3H 2中的溶解機理可以簡要解釋如下。當LiBr溶於水時，Li+離子被水分子配位或水合，並且所生成的水合鋰陽離子可以與纖維素的羥基配位，破壞分子間氫鍵，從而促進纖維素的溶解。此外，系統中的游離Br -離子可通過Li-OH 或者纖維素- OH相互作用加速纖維素溶解。圖 1a描繪了纖維素II氣凝膠的製備過程。在溫和的條件下，纖維素迅速在LiBr·3H2O溶液中溶解。冷卻至室溫，溶液直接凝膠化。洗滌後，溶解的纖維素再生並由於物理糾纏聚集成纖維素，並形成透明的水凝膠片。冷凍乾燥使水凝膠轉化為氣凝膠，該氣凝膠保持原始形狀（圖1b）。

SEM圖像顯示纖維素II氣凝膠的均勻網絡結構和多孔纖維表面(圖1c)。X射線納米計算機斷層掃描（nano-CT）的逐層重建進一步驗證了氣凝膠相互連接的3D網絡和均勻的質量分布（圖1d）。粗糙表面增加了表面積，這是由於在再生過程中形成了大量的介孔所致。應變掃描測試結果（圖1e）表明纖維素II氣凝膠是一種柔性材料。在應力下，纖維素II氣凝膠由於均勻的互連結構而沒有開裂。熱重分析（圖1f）表明，纖維素II氣凝膠在250°C的溫度下仍具有良好的熱穩定性。所有數據證明，所製備的纖維素II氣凝膠的剛性較低，更具柔韌性，這將有利於TENG的性能和耐久性。

圖1纖維素II網絡結構氣凝膠的製備過程和表徵。a）纖維素II水凝膠和氣凝膠的製備步驟。纖維素II氣凝膠的照片b），SEM圖像c）, X射線d）,動態應變掃描e）,熱重分析f）。

3.2基於纖維素II氣凝膠的TENG的結構，機理和表徵

為了證明TENG可收集能量，本研究採用了典型的接觸分離模式（圖 2a）。作者將兩片鋁箔（Al）分別附著到PTFE（參考組）和纖維素II氣凝膠上作為後電極，並連接到電輸出的外部電路。對TENG施加壓縮力時，會發生接觸摩擦帶電和靜電感應的耦合效應，導致電荷轉移（圖2b）。與傳統的基於薄膜的TENG相比，氣凝膠的感應電荷不僅可以存在於接觸表面，而且可以分布在結構網絡的表面，由此促進電荷累積。當力反向時，纖維素II氣凝膠和PTFE之間間隙增大，極性相反的摩擦電荷分開，導致電勢增大，從而驅動感應電子從底部電極流向頂部電極。當將力重新施加到TENG上時，電子會回流並在相反方向上形成電流。周期性的機械裝卸過程使電子在外部電路來回流動。TENG的電壓輸出隨著施加的力從2.4到55 N線性增加（圖2c，d），靈敏度為1.66 V/N。圖2e顯示了施加力40 N時，纖維素II氣凝膠型TENG在各種工作頻率下（1至4 ）的開路電壓（V oc），短路電流（I sc）和短路電荷（Q sc）的結果。作者還以不同的外部負載電阻來評估基於纖維素II氣凝膠的TENG的輸出性能（圖2f）。隨著電阻從1kΩ增加到10GΩ，峰值輸出電流密度降低，而峰值輸出電壓呈現相反的趨勢。在60MΩ負載電阻下，實現了127mW /m -2的最大瞬時功率密度（圖2g）。15000個周期接觸分離測試（圖2h）證明TENG的開路電壓幾乎沒有變化，表明基於纖維素II氣凝膠TENG堅固耐用。

圖2基於纖維素II氣凝膠的TENG的結構，機理和基本電學特徵。基於纖維素II氣凝膠的逐層TENG結構示意圖a）及工作機理b）。c，d）在不同外力值下的電壓輸出。e）不同的工作頻率下的路電壓，短路電流和短路充電。f）在不同的外部負載電阻下的電流密度和電壓輸出。g）輸出峰值功率密度與外部負載電阻的關係。h）TENG的穩定性和耐久性測試。

3.3纖維素II氣凝膠的TENG性能的化學和物理增強

為了進一步改善基於纖維素II氣凝膠的TENG的性能，作者通過引入其他天然多糖（分別包含給電子基團和吸電子基團的殼聚糖和藻酸）合成了複合纖維素II氣凝膠。增加纖維素-殼聚糖複合氣凝膠中殼聚糖的含量可將相應設備的電壓輸出從269％提高到311％。而基於纖維素-海藻酸氣凝膠的TENG表現出相反的效果趨勢，因為藻酸提供了更多的吸電子基團（圖3d）。這些觀察結果表明，富含氨基的殼聚糖和富含羧基的海藻酸使摩擦電性能向相反方向移動。TENG的電輸出取決於纖維素氣凝膠的物理尺寸，增加多孔氣凝膠的厚度，可以提高TENG的相應輸出性能。當樣品的直徑從15毫米增加到35毫米時（圖3f），TENG的輸出電壓和電荷顯著增強（如圖3g，h）。

圖3纖維素II複合氣凝膠增強相應TENG的電性能。a）纖維素，殼聚糖和藻酸的化學結構。b）各種氣凝膠的FTIR光譜。c）以各種膜為基礎的TENG的輸出電壓。d）基於具有不同藻酸含量的纖維素II氣凝膠的TENG的輸出電壓，。e）以PTFE為參考層的短路電荷密度。f）具有不同直徑（即15、28和35 mm）的殼聚糖複合纖維素II氣凝膠的物理圖像。g，h）不同面積的TENG的輸出開路電壓和短路電荷。

3.4基於纖維素II氣凝膠的TENG的應用

在實際應用中，作者造了獨立的基於纖維素II氣凝膠的TENG（CC21）（圖 4a）。用手指輕拍基於纖維素II氣凝膠的TENG就能點亮60個串聯的綠色發光二極體（LED）和圖案化的「 AG」字母形LED（圖4b，c）。CC21設備能將電能存儲以備後用，作者研究了電容（0.22–22 µF）和工作頻率（1–8 Hz）對基於纖維素II氣凝膠的TENG的充電性能的影響（圖4d，e）。當電容器具有較小的電容或以較高的工作頻率運行時，電容器充電速度快。TENG收集並存儲在電容器中的電能可商用供電（圖4f）。通過連接電路，當充電電壓達到1.5 V的額定值時，商用計算器便開始工作，該過程僅需3 s。隨後，計算器穩定的連續運行。這種TENG在自供電傳感器還可以固定在襪子上以進行可穿戴運動監測（圖4g，h，i）。

圖4 使用基於纖維素II氣凝膠的TENG採集機械能。a）TENG獨立接觸分離模式裝置（CC21）。b，c）手指按下可以點亮60個LED和「 AG」圖案。纖維素II氣凝膠TENG的充電能力d）和e）。f）計算器供電以及充電電壓曲線隨充電時間變化情況。g）附著在襪子上的纖維素II氣凝膠型TENG的照片。h，i）步行和跑步過程中的當前信號，用於實時人體運動監控。

4結論

本研究首次報導了基於纖維素II氣凝膠的TENG作為機械能收集器和自供電傳感器。纖維素II氣凝膠是通過LiBr·3H2O溶解-再生過程製成的。所製備的纖維素II氣凝膠具有互連的開孔3D網絡結構，極高的孔隙率和大表面積。TENG具有很高的電氣性能和出色的機械響應靈敏度。複合纖維素II氣凝膠能夠進一步提高相應TENG的性能。作者成功展示了TENG在商用LED和可攜式計算器供電以及監測人體運動模式（例如步行或跑步）的潛在應用。這種研究實現了綠色、高性能、生態友好的能量收集和自供電系統。

參考文獻：https://doi.org/10.1002/adfm.202001763

版權聲明：更多原創文章，歡迎關注微信公眾號「高分子材料科學」！「高分子材料科學」是由專業博士（後）創辦的非贏利性學術公眾號，旨在分享學習交流高分子聚合物材料學的研究進展。上述僅代表作者個人觀點且作者水平有限，如有科學不妥之處，請予以下方留言更正。如有侵權或引文不當請聯繫作者修正。商業轉載請聯繫編輯或頂端註明出處。感謝各位關注！