廣西大學段青山博士Nano Energy：耐火的纖維素摩擦電材料

火災事故對全球安全構成了巨大的挑戰，不僅威脅到人們的生命安全，還導致了巨額的經濟損失和對環境的傷害。在火災救援中，小型救援指示設備和遠程救援電子工具都起到了關鍵的作用。但傳統設備通常依賴電池供能，在高溫下可能會失效，甚至可能發生爆炸等事故。摩擦納米發電機（TENG）為這一問題提供了新的解決方案。但是，傳統的摩擦電材料在高溫和火焰中容易燃燒、融化和滴下，而且高溫導致的熱電子發射會嚴重影響TENG的電能輸出。這使得TENG在高溫環境中的應用受到了限制。因此，確保TENG在高溫下穩定運行，成為TENG發展急需解決的問題。

近日，王雙飛院士團隊報道了一種阻燃的纖維素基摩擦電材料，基于其制備的TENG實現了高溫環境下穩定的自供電傳感。研究人員利用微觀結構設計和本征耐火材料的耦合，賦予了纖維素基摩擦電材料優異的耐高溫性能（500℃），在100 ℃的環境下傳感器的輸出保持率達到90%。根據TENG設計了一種救援傳感器和小型救援指示設備，并成功應用在火災救援中的防火服上，可有效感知消防員在火場中的運動，通過無線傳感還有望傳遞消防員的實時位置，保障了消防員的生命安全。這項成果以題為“Fire-retardant hydroxyapatite/cellulosic triboelectric materials for energy harvesting and sensing at extreme conditions”發表在了《Nano Energy》上。

【圖文導讀】

阻燃纖維素摩擦電材料的制備

利用異氰酸酯基團（-NCO）和羥基（-OH）的化學反應，實現納米纖維素/羥基磷灰石復合膜的制備。真空輔助抽濾制備的復合膜具有多孔表面和緊密堆積的內部結構。利用阻燃的纖維素摩擦電材料設計了一種具有耐高溫的摩擦納米發電機，可作為一種在高溫環境下收集生物能源的自供電傳感器，對高溫環境下的運動感知和火場救援疏散具有重要意義。

圖1. 阻燃纖維素摩擦電材料的制備

阻燃纖維素摩擦電材料的表征

通過FT-IR、XRD、EDS和XPS檢查了纖維素摩擦電材料的化學結構特征。FT-IR中1720cm-1處出現氨基甲酸酯基團的信號；XRD分析表明復合膜的結晶度相比于原料有所提高；EDS表明各元素分散均勻；XPS中出現了N的結合能峰。這確認成功通過化學接枝制備了一種具有耐高溫性能的纖維素摩擦電材料。另外，通過SEM觀察了復合膜的表面結構和截面結構，利用AFM確認了復合膜的表面粗糙度變化。

圖2. 阻燃纖維素摩擦電材料的化學表征

阻燃纖維素摩擦電材料的摩擦電性能

基于納米纖維素/羥基磷灰石復合膜制備了垂直接觸-分離模式的TENG。測試了室溫下摩擦電性能，與純納米纖維素膜相比，電輸出性能有了極大提升（峰值開路電壓、短路電流和表面電荷密度分別提高了436.84%、900%和485.71%）。且在10000個工作循環中保持了較好的穩定性。通過不同溫度下的電性能測試，發現其在100 ℃的溫度下的輸出保持率達到90%。并且可以為不同容量的電容器充電。

圖3. 阻燃纖維素摩擦電材料的摩擦電性能

阻燃纖維素摩擦電材料的耐火性和隔熱性能

通過TG檢測分析了阻燃纖維素摩擦電材料的熱穩定性，推測出羥基磷灰石是抵抗高溫干擾的關鍵。通過垂直燃燒實驗對比，發現所制備的阻燃纖維素摩擦電材料較傳統耐高溫隔熱材料（醋酸纖維膜、芳綸膜和玻璃纖維膜）有極大進步。隔熱性能測試中，酒精燈加熱5分鐘后，有復合膜隔離的燒杯中心的水溫比空白組低33.3%。，表明阻燃纖維素摩擦電材料具有一定的隔熱性能。

圖4. 阻燃纖維素摩擦電材料的耐火性和隔熱性能

極端條件下的能量收集和自供電傳感

防火服在火場救援中保障了消防員的安全，基于阻燃纖維素摩擦電材料制備了用于防火服的自供電傳感器。研究結果表明，自供電傳感器具有良好的無線傳感能力。由于阻燃纖維素摩擦電材料具有優異的耐高溫和耐火性能，在200℃下仍能顯示18 mV的無線電信號。通過疏水改性，賦予復合膜優異的疏水性能。這使自供電傳感器受到火焰和水的侵蝕后，依然保持較為穩定的無線電輸出，滿足了消防員反復進出火場的需求。而根據其制備的TENG還可以作為自供電救援指示設備，用于疏散火場人員。

圖5.?用于消防救援的自供電傳感器

結論

在這項工作中，制備了一種表面多孔、內部緊密堆積的阻燃纖維素摩擦電材料。該材料不僅具有耐火性能(500℃)和隔熱性能，而且具有優異、穩定的摩擦電性能。在100℃下輸出保持率達到90%。單電極自供電傳感器可以通過電信號反饋對傳感器的環境進行分析。離子交換大大增強了復合膜的疏水性能，即使在火焰和水侵蝕后，其無線電信號仍達到正常情況的75%。這為耐火和隔熱摩擦電材料的開發和應用提供了新的思路，在火災環境下的自供電傳感領域顯示出突出的潛力和應用前景。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108851