Nano-Micro Letters：纖維素摩擦電材料用于可穿戴電子設備

01背景介紹

隨著萬物互聯和人工智能時代的開啟，服務于工業生產和便捷生活的定制化柔性電子技術得到了快速發展，人們對于可實現無線傳輸、在線控制、獨立運作的可穿戴自供電設備的呼聲越來越高。摩擦納米發電機（TENG）作為一種先進的分布式能量收集技術，在柔性電子和可穿戴設備領域具有廣闊的開發潛力和研究價值。纖維素作為來源豐富的天然高分子材料，具有材料形式多樣化和應用廣泛等特點，在自供電可穿戴領域有著良好的應用拓展。與常見聚合物材料制備而成的可穿戴電子設備相比，基于纖維素的自供電可穿戴電子設備在柔韌性、透氣性、功能性和佩戴舒適度等方面具有顯著優勢。在此背景下，深入探討纖維素摩擦電材料的性能調控策略和材料設計策略，為定制設計纖維素基自供電可穿戴電子產品提供了新的視角。

02研究內容

纖維素具有優異的生物相容性、柔韌性、鏈段可修飾性、介電性能和壓電性能，是一種來源廣泛的天然高分子材料。纖維素的優異特性使其容易被制作成形式多樣的多功能材料，近來在自供電可穿戴電子產品領域有著廣泛應用。

圖1 纖維素基自供電可穿戴電子產品

本文首先從界面設計的角度出發，介紹了材料制備過程中的界面特性。通過增大界面面積、提高復合材料的介電常數，能有效地改善材料的摩擦電特性，起到增強電荷密度或調控電荷特性的效果。討論自上而下、自下而上和復合材料的界面特性，對于纖維素功能材料（例如結構材料、薄膜、細絲、氣凝膠和泡沫）的摩擦電性能增強具有重要意義，為其在自供電可穿戴領域的應用奠定基礎。

圖2 纖維素摩擦電材料構筑過程的界面屬性

其次，從性能調制的角度，討論纖維素摩擦電材料的摩擦正極性、摩擦負極性和電荷密度等調制思路。纖維素摩擦電材料的性能調制對摩擦電輸出的穩定性和性能增強具有重要影響。

圖3 纖維素摩擦電材料的電荷密度

近年來，應用于自供電可穿戴傳感器領域的纖維素摩擦電材料的種類逐漸增多，材料設計方法對應于材料的應用而言具有重要意義。總結了纖維素摩擦電材料的合理設計策略，包括表面功能化、界面結構控制、真空輔助自組裝等。

圖4 表面功能化設計策略

隨著無線網絡時代的發展，人們對實施可穿戴、便攜式生物電子產品的應用需求不斷增長。最后，系統總結了纖維素摩擦電材料在人體能量收集、觸覺傳感、健康監測、人機互聯和智能火災預警等可穿戴電子產品領域的應用。

圖5 用于觸覺傳感的自供電可穿戴電子設備

03結論與展望

本文對先進纖維素摩擦電材料用于自供電可穿戴電子產品的應用進行了系統綜述。重點關注了纖維素可穿戴電子產品在人體能量收集、觸覺傳感、健康監測、人機互聯和智能火災預警等領域的應用。同時，詳細闡述了纖維素材料構筑過程中自上而下、自下而上和復合材料制備過程的界面特性。從可穿戴電子設備性能需求的角度，探討了表面電荷極性和電荷密度對纖維素摩擦電材料輸出性能的影響。系統討論表面功能化、界面結構設計、真空輔助自組裝等材料設計方法，為定制設計纖維素基自供電可穿戴電子產品提供了新的視角，進一步激發生物質材料在自供電可穿戴領域的應用潛力。

原文信息

論文題目：Rational Design of Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Wearable Electronics

第一作者：蒙香江

通訊作者：聶雙喜

通訊單位：廣西大學

原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01094-6

本文由作者供稿