大连工业大学王海松团队连发两篇《Nano Energy》：木质纤维基摩擦电材料最新进展

2023-08-24 来源：高分子科技

近年来，随着经济的发展和人们消费水平的提高，环境污染问题越来越受到人们的关注。众所周知，传统的自供电传感器件大都是由来自于化石原料的高分子材料制备，其存在着在生产过程中会存在环境污染、在材料废弃后难以重复利用的问题。摩擦纳米发电机（TENGs）能从周围环境中收集能量并将其转化为电能，从而被广泛认为是一种有前途的绿色能量收集装置。现阶段迫切需要开发简便、绿色的策略来制备高性能摩擦电材料以构建生态友好型TENG。

近日，大连工业大学生物基纤维材料与化学品团队王海松/杜健在国际学术期刊《Nano Energy》（IF=17.6）上同时发表题为“Modulating spatial charge distribution of lignin for eco-friendly and recyclable triboelectric nanogenerator”和“Eco-friendly and humidity-sensitive cellulosic triboelectric materials tailored by xylanase for monitoring the freshness of fruits”的2篇环保型木质纤维基摩擦电材料的研究论文。

研究以一种过渡金属（铁）离子配位的碱木质素作为摩擦电正性纳米填料，通过和具有生物降解性的羧甲基纤维素（CMC）掺杂构建绿色环保摩擦电极。由于外源性铁离子和木质素上的芳香环之间的相互作用引起木质素骨架上的电子云膨胀，从而增加了复合材料摩擦电极性。优化后TENG的开路电压达到110 V，短路电流为8.97μA，摩擦电荷为153 nC，最大输出功率密度为147.19mW/m²。由于制备的木质纤维基摩擦电膜材料存在丰富的动态可逆非共价键，薄膜在经历5次溶解重铸后仍表现出稳定且优异的摩擦电信号。本研究为基于木质素作为摩擦电正性纳米填料构建可重复利用的高性能TENG提供了新思路。

图1. 木质素基摩擦电材料性能增强原理和基本表征

图2. 木质素基摩擦电材料的摩擦电性能

图3. 木质素基摩擦电材料的可重复利用性能

研究人员还建立了一种利用生物酶绿色处理纸浆纤维提高纤维素基摩擦电材料性能的方法。所选的木聚糖酶可以高效水解天然纤维素纤维中的半纤维素成分，在纤维表面构筑有利于提高摩擦电性能的微观凹凸粗糙结构，残留的含有丰富-NH₂（给电子基团）的生物酶参与摩擦带电过程并提供更多的电子，全面提高了纤维表面的摩擦电荷密度。生物酶处理的植物纤维纸TENG的最大开路电压、短路电流、表面电荷密度和输出功率分别提高了2.92，2.44，2.63和7.37倍。而且，制备的纤维素纤维基摩擦电材料对包装微环境湿度具有很高的敏感性，可以实时监测水果新鲜度的变化。

图4. 生物酶处理纤维素纤维基摩擦电材料的摩擦电性能

图5.生物酶处理纤维素纤维基摩擦电材料的功率输出和电输出稳定性

图6. 生物酶处理纤维素纤维摩擦电材料的湿敏特性及草莓新鲜度监测

论文的第一作者为大连工业大学轻工与化学工程学院2021级在读硕士研究生陈文灿和焦春齐，通讯作者为生物基纤维材料与化学品团队王海松教授、杜健副教授和食品交叉科学研究院的谭明乾教授。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、兴辽英才计划、教育部制浆造纸科学与技术重点实验室基金和辽宁省自然科学基金的资助。

原文链接：

1、https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108802

2、https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108803

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（责任编辑：xu）

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