摩擦纳米发电机（TENG）因体积小、能量转换效率高、输出稳定、结构简单、设计灵活等优点，已被广泛应用于智能传感、健康监测、可穿戴电子领域，然而，目前用于TENG的电极材料大多为不可再生材料。天然木材固有的分层多孔结构不仅提供了快速的离子/电子转移速率，有利于减少电荷转移电阻从而提高电输出性能，而且为功能性试剂的渗透提供了天然通道，被认为是替代石油资源制备可持续TENG的理想候选电极材料。然而，天然木材低极化率、有限的电荷密度提升效率等问题仍亟需解决。因此，对木材进行修饰改性提高其极化率进而改善木基摩擦纳米发电机电输出性能变得尤为重要。
近日，林科院储富祥研究员与南林卢传巍副教授通过对脱木素木材进行化学改性制备同时含有甲基和丙烯酸基团的改性木材（MW），然后采用PDES处理改性木材实现了具有优异机械韧性、光学透明性和高导电性的功能化木材的制备。PDES与改性木材的原位聚合赋予了功能化木材优异的机械韧性，光学透过性，导电性和抗菌性。基于此，功能化木材可作为电极材料组装柔性木基摩擦纳米发电机（FW-TENG）。重要的是，给电子基团（甲基）的引入提高了功能化木材的极性，显著改善了FW-TENG的转移电荷密度从而提升其摩擦电性能。FW-TENG作为柔性自供能传感器在人体运动监测和信息加密等领域展现出优异的应用价值。
图1（a-b）FW的合成路线和化学结构示意图。（c-d）FW-TENG在自供电传感领域的应用。
FW具有优异的机械韧性、光学透明性和高导电性，可作为电极材料组装柔性FW-TENG。FW-TENG作为柔性自供能传感器可应用于人体运动监测和信息加密等领域。
图2 （a-h）FW具有优异的光学透光率。（i-l）FW具有优异的柔韧性和高导电性。（m-o）FW具有优异的抑菌性。
FW不仅具有优异的光学透过率，在可见光区600-800 nm可达86%，而且具有高电导率（34.48 mS/m），在弯曲状态下仍有良好导电性。此外，FW对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的增殖具有明显的抑制作用。
图3 （a-c）L方向FW的机械性能及有限元模拟。（d-f）T方向FW的机械性能及有限元模拟。（g）L方向FW的循环加载曲线。（h）FW与先前报道的功能化木材对比雷达图。
共价-非共价双交联网络的构建赋予了FW优异的机械韧性，在L方向机械强度和断裂伸长率可达49.0 MPa和7.9%，韧性可达2.37 MJ/m3。在T方向机械强度和断裂伸长率可达2.3 MPa和9.4%，韧性可达0.126 MJ/m3。
图4 （a）FW-TENG的结构示意图。（b）FW-TENG的工作原理图。（c-j）FW-TENG的电输出性能。
给电子基团（甲基）的引入提高了FW的极性，可将FW-TENG的转移电荷密度提升至52.4 mC/m2，与对照样相比提高约2.91倍。FW-TENG可对商业电容器充电，轻松点亮计算器用于精确计算。
图5 基于FW-TENG的压力传感器在监测人体运动领域的应用。
FW-TENG柔性压力传感器可用于监测人体运动，如识别不同手势：点击、拍打、锤击，不同运动状态：走路、踏步、跑步等。
图6 基于FW-TENG的压力传感器在信息加密和传输领域的应用。
FW-TENG柔性压力传感器可用于加密和传输信息，通过手指点击FW-TENG传感器输出“OK”等信息。此外，还可用于可视化信息传递，输出“SOS”等求救信息。
该工作以“Functionalized wood with tunable mechanically toughness, transparent and conductivity for multi-functional self-powered sensor”为题发表在《Nano Energy》上，南京林业大学博士生贾倩倩为第一作者，通讯作者为南京林业大学卢传巍副教授。该工作得到国家重点研发计划（2023YFD2200505）、国家自然科学基金（32201498）、齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室开放基金（GZKF202327）的支持。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524007316
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