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聂双喜教授团队 Small Methods:纤维素摩擦电材料

聂双喜教授团队 Small Methods:纤维素摩擦电材料 高分子科技
2022-07-12
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导读:采用特殊的“三步法”策略,成功的设计并制备了一种独特的分层多孔纤维素基摩擦电材料,该材料所组装的...
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生物质资源作为一种可持续资源,在人类的生产生活中扮演了重要的角色。基于特殊结构的生物质摩擦电材料在环境、能源、生物医药以及航空航天等许多领域都扮演了至关重要的角色。可调控的特殊结构赋予了其在不同环境下特定的性能,为了进一步推动相关领域的快速发展,科研人员付出了巨大的努力来开发高性能的生物质摩擦电材料。传统摩擦电材料特殊结构的构建,都离不开复杂的工艺流程,并且往往来自不可持续不可降解的化石资源。尽管这些材料对社会和经济的发展做出了重大贡献,但高温下易分解、低温脆性甚至材料脱复合等问题成为它们所面临的巨大挑战。因此,研发绿色且抗恶劣环境的纤维素基摩擦电材料,符合当今世界可持续发展的大趋势。



近日,聂双喜教授团队报道了一种通过绿色温和的“三步法”策略所制备的分层多孔纤维素基摩擦电材料。受天然竹材特殊结构的启发,设计了与其结构极为相似的纤维素基摩擦电材料。具体来讲,该策略通过温和的酸水解体系将天然竹材中的木素与半纤维素部分脱除并辅以冷冻干燥,然后通过液相变压法浸渍苯胺单体,随后向体系内加入过硫酸铵,以促成苯胺单体在纤维素支架内自上而下的原位聚合得益于水解诱导纤维表面所产生的分层多孔结构该纤维素基摩擦电材料在高温(200℃)、低温(-196℃)和快速热循环冲击(ΔT=396℃)后仍然能保持85%的摩擦电性能并满足丰富多样的自供电传感类型。这项研究工作为极端环境条件下纤维素基摩擦电材料的构建和应用提供了新的研究思路。相关成果以题为Hierarchical Porous Cellulosic Triboelectric Materials for Extreme Environmental Conditions”发表在《Small Methods》上。
 
分层多孔纤维素基摩擦电材料的设计与应用理念】

天然竹材具有在多个尺度上组装不同层次结构的先天能力,不同的层次结构赋予了竹材宏观上优越的性能。这些层次结构的构建,离不开其内部纳米级结构单元(如纤维素与木质素)的贡献,而纤维素与木质素之间“互利共赢”的模式又共同促进了竹材优越的宏观性能。大自然巧妙的设计了这一切,这种结构与功能之间的关系,启发他们设计了与天然竹材结构极为相似的分层多孔纤维素基摩擦电材料。
 

1. 基于“三步法”策略所制备的竹材衍生摩擦电材料及其用于抗恶劣环境后的能量收集与自供电传感

分层多孔纤维素基摩擦电材料的制备与性能】
 

2. “三步法”策略的具体流程与纤维素基摩擦电材料的性能

本文提出的“三步法”策略主要包括简单温和的酸水解并辅以冷冻干燥,然后通过液相变压法浸渍苯胺单体,随后向体系内加入过硫酸铵,使纤维素支架内的苯胺单体自上而下的原位聚合。由于分层多孔纤维素基摩擦电材料的特殊结构,使得摩擦电荷不仅存在于接触面上,还分布在结构网络的表面上,在接触起电与静电感应效应的耦合下,更多感应电荷的产生同样提高了TENGs的电输出性能。相较于普通薄膜材料,分层多孔纤维素基摩擦电材料的特殊结构提供了较大的表面积,同时由于边缘效应而促进了电荷的积累。

【恶劣环境下的分层多孔纤维素基摩擦电材料】
 

3. 分层多孔纤维素基摩擦电材料抗恶劣环境后的能量收集与自供电传感

复杂的形貌和恶劣的工作环境,使传统摩擦电材料在能量收集与自供电传感时都面临着巨大的挑战。分层多孔纤维素基摩擦电材料得益于竹材纤维素支架的分层结构,能够很好的保护生长在内部的导电聚合物聚苯胺,使其不被脱落破坏。而纤维素支架的多孔结构保证了聚苯胺在其内部互联互通的致密生长,尽管存在微孔隙,但纳米级的孔道严重阻碍了氧气的进入,也保护了纤维素支架尽可能的不被氧化破坏,而纤维素与聚苯胺的氢键作用也有助于材料在恶劣环境下整体的稳定性。

总结:综上所述,该研究采用特殊的“三步法”策略,成功的设计并制备了一种独特的分层多孔纤维素基摩擦电材料,该材料所组装的TENGs在经历极端工作条件后,仍然具有稳定的能量收集和传感性能。同时,这项研究代表了一种绿色和温和的合成方法来生成摩擦电材料表面的微纳米结构,与以前的报告相比,依赖于使用有害蚀刻剂的恶劣加工条件更具有使用价值。简而言之,特殊设计的纤维素基摩擦电材料具有优越的摩擦电性能(1.1 W/m2)和耐极端条件下稳定的能量收集以及自供电传感性能,并且成本低、易降解、可持续。

原文链接:
https://doi.org/10.1002/smtd.202200664


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