王双飞院士团队聂双喜教授课题组《Adv. Sci.》综述：先进纤维素摩擦电材料构筑

2023-04-02 来源：高分子科技

纤维素是自然界中储量最丰富的大宗生物质资源，具有良好的介电性能和优异的机械强度，被广泛地应用于多功能介电材料的构筑。近年来，研究人员通过改变纤维素材料的化学结构和制备方法，进一步提高了其介电响应和摩擦电性能，大幅拓展了纤维素摩擦电材料在可穿戴设备、人机交互以及自驱动传感等前沿电子领域的应用前景。在此背景下，深入研究纤维素的介电极化机制并探究其调控规律对于先进介电材料的开发具有重要的科学和工程意义。

近日，王双飞院士团队基于纤维素独特的性能优势和介电潜力，首次提出了通过介电调控构建极化性能增强型纤维素摩擦电材料的创新理念。分别从介电常数、极化机制、介电测量技术等方面为纤维素的介电调控提供了理论基础，提供了物理结构设计、化学基团修饰以及功能填料选择等方面的指导性策略，展望了其在高效能量收集、可穿戴电子设备以及阻抗匹配等新兴领域的应用进展。

图1. 基于介电调控的先进纤维素摩擦电材料

纤维素是地球上最古老的天然聚合物之一，同时也是一种可再生、低成本、可生物降解的天然生物质材料，具有前景广阔的特性：优良的机械性能、易加工性、介电性能、压电性能和可转换性。

图2. 纤维素的本征优势

一般而言，介电极化可分为四种类型：电子极化、离子极化、偶极化和界面极化。根据电荷运动的机理，上述极化又可分为三类：外场作用使电子云发生畸变引起的畸变极化、自由电荷位移引起的位移极化和由外场诱导的转向极化。不同的极化机制都将使纤维素摩擦电材料呈现不同的介电响应能力。

图3. TENG的理论模型和摩擦电材料的极化机制

由于电子云密度的差异，纤维素的结晶和非晶区域之间通常存在不同程度的界面极化，这是纤维素摩擦电材料的固有介电特性。而额外负载的填料将在纤维素材料内部产生许多界面区域，其与纤维素电性能的巨大差异进一步加剧了界面相互作用，增强了界面极化响应。与此同时，介电表征技术也对纤维素摩擦电材料极化性能的探究起着十分关键的作用。针对不同类型的材料，需要选择合适的介电测量手段才能真实地反映其中的极化响应性能。

图4. 纤维素纳米复合材料的界面模型和介电表征技术

该项成果以题为“Fabrication of Advanced Cellulosic Triboelectric Materials via Dielectric Modulation”发表在国际学术期刊《Advanced Science》（IF=17.521）上。硕士研究生杜国立为第一作者，聂双喜教授为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202206243

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（责任编辑：xu）

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