福建農林-袁占輝團隊 | 纖維素基摩擦納米發電機性能增強的技術策略

一、研究背景：

自2012年首次報道TENG（triboelectric nanogenerators）以來，從環境中收集機械能轉化為電能的相關研究引起了科學家們極大的關注并迅速發展。本論文首先介紹了歷年來有關TENG創新性材料的制備和性能提升的研究進展（圖1）。這些研究雖然取得了許多顯著進展，但大部分高性能TENG使用的材料不可持續且材料和制備方法對環境并不友好，而具備環境友好性的天然材料卻不具備高摩擦電輸出性能。因此，在追求高性能的同時，如何平衡材料的可持續性與環境友好性，仍然是一個亟需面對的重大挑戰。目前在所有研究的TENG材料中，纖維素因其資源豐富、可降解、且廉價而成為一種極具潛力的應用材料。然而，僅用纖維素為原料制備的TENG并不能體現較好的性能，所以大量相關的論文都側重于研究如何提高纖維素的性能響應。在這些研究中，出現了多種關于纖維素改性的制備方法，而這些方法的原理和優缺點都有所差異，因此，團隊認為十分有必要對這些方法進行明確的分類和總結，為廣大科研工作者在日后的研究中提供一些歸納信息。

圖1. TENG的發展進程

二、文章簡介：

近日，福建農林大學材料工程學院袁占輝教授團隊（生物質基先進催化及功能材料團隊）在增強纖維素基摩擦納米發電機的能量收集性能和可持續性方面，總結并綜述了有關最新纖維素基摩擦納米發電機性能增強的技術策略，在國際材料、能源類頂級期刊《Nano Energy》在線發表論文題目為"Enhancing energy harvesting performance and sustainability of cellulose-based triboelectric nanogenerators: Strategies for performance enhancement"。博士研究生廖洪武為第一作者，團隊負責人袁占輝教授為第一通訊作者，團隊成員王沖博士、日本名古屋大學的Yusuke Asakura教授和閩江學院的王莉瑋教授為共同通訊作者。

三、文章內容：

為了了解纖維素作為TENG材料的適合改性方式，就要從纖維素的理化結構去詮釋。本論文詳細描述了TENG的工作過程和模式（見圖2），指出了作為TENG器件關鍵組成部分的磨擦層材料必須具備感應電荷產生能力強、電荷傳輸快和電荷積累多等特點。首先纖維素中富含的羥基基團適合與一些極性化學官能團進行接枝改性，來增強整體纖維素分子的偶極矩，從而提高摩擦產生的感應電荷量。其次纖維素分子中通過氫鍵結合形成含有結晶和非晶區域的晶體結構，賦予了纖維素部分壓電特性，從而使其具有電荷積累特性。最后，豐富的極性羥基還有助于纖維素在機械變形時產生電荷分離，形成電位差促使電荷傳輸。所以與其他材料相比，纖維素表現出較高的摩擦電序列。綜上所述，纖維素具有的感應電荷響應能力、壓電特性和電荷分離特性使其適合成為TENG材料并進行改性使用。

圖2.?四種TENG模式的工作原理：(a) CS模式、(b) LS模式、(c) SE模式和(d) FT模式

四、結論與展望：

本論文主要目的是為采用纖維素作摩擦發電材料開發TENG的科研工作者提供有效的策略方向，幫助科研工作者在纖維素基TENG領域選擇適合的改性方法。在文章結尾，本文還對目前纖維素基TENG發展所面臨的困難和機遇進行了歸納和展望。團隊希望這些展望能夠為未來纖維素基TENG研究領域提供一定的方向，為實際應用能提供一些重要的思路，促進纖維素基TENG領域的科學研究和實際推廣。

五、致謝：

感謝福建省科技廳（No.2022H6021）、福建省林業科技項目（No.2023FKJ27）、福建省自然科學基金（No.2020J01833）、法樹基金會(MFK23007)、KIST 機構計劃 (2E32511) 等項目的資助，以及JST-ERATO Yamauchi 材料空間構造項目 (JPMJER2003) 和澳大利亞國家制造設施昆士蘭節點的幫助。

Authors: Hongwu Liao¹, Jongbeom Na², Weiming Zhou¹, Seungjae Hur², Monica Chien³, Chong Wang¹*, Liwei Wang⁴*, Yusuke Yamauchi³* and Zhanhui Yuan¹*

Title: Enhancing energy harvesting performance and sustainability of cellulose-based triboelectric nanogenerators: Strategies for performance enhancement

Published in: Nano energy, doi:10.1016/j.nanoen.2023.108769

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108