王双飞院士团队 Nano Energy：耐火的纤维素摩擦电材料

2023-09-09 来源：高分子科技

功能性的摩擦电材料使摩擦纳米发电机（TENG）广泛应用于各种场景。由于TENG重量轻，成本低，体积小，结构设计灵活，是一种极具潜力的自供电传感设备。但高温环境会导致热电子发射效应，还会对摩擦电材料造成破坏，极大影响了TENG的电输出性能和稳定性，这限制了TENG在高温环境下的应用。

近日，王双飞院士团队采用化学接枝的方式，将本征耐火的羟基磷灰石（HAP）接枝到纳米纤维素（CNF）上，制备了一种耐火的纤维素基摩擦电材料，实现了高温环境下稳定的自供电传感。在100 ℃的环境下传感器的输出保持率达到90%，即使在被火焰燃烧后仍能工作。这项成果以题为“Fire-retardant hydroxyapatite/cellulosic triboelectric materials for energy harvesting and sensing at extreme conditions”发表在了《Nano Energy》上。广西大学段青山博士为第一作者，聂双喜教授为通讯作者。

1. 阻燃纤维素摩擦电材料的制备

由于IPDI的异氰酸酯基团（-NCO）可以和羟基（-OH）发生化学反应，将CNF和HAP进行了接枝，通过真空辅助抽滤的方式制备了纳米纤维素/羟基磷灰石复合膜。这种方式制备的复合膜具有多孔表面和紧密堆积的内部结构。基于这种具备耐火性能的摩擦电材料设计了一种耐高温的TENG，可作为高温环境下收集生物能源的自供电传感器，对高温环境下的运动感知和火场疏散救援具有重要意义。

图1. 阻燃纤维素摩擦电材料的制备

2. 阻燃纤维素摩擦电材料的表征

通过FT-IR、XRD、EDS和XPS检查了纤维素摩擦电材料的化学结构特征。FT-IR中1720cm^-1处出现氨基甲酸酯基团的信号；XRD分析表明复合膜的结晶度相比于原料有所提高，这可能导致了TENG电输出性能的提升；EDS表明各元素分散均匀；XPS中出现了N的结合能峰。以上表征确认成功通过化学接枝制备了一种具有耐高温性能的纤维素摩擦电材料。另外，通过SEM观察了复合膜的表面结构和截面结构，利用AFM确认了复合膜的表面粗糙度变化。

图2. 阻燃纤维素摩擦电材料的化学表征

3. 阻燃纤维素摩擦电材料的摩擦电性能

基于纳米纤维素/羟基磷灰石复合膜制备了垂直接触-分离模式的TENG。测试了室温下摩擦电性能，与纯CNF膜相比，电输出性能有了极大提升（峰值开路电压、短路电流和表面电荷密度分别提高了436.84%、900%和485.71%）。且在10000个工作循环中保持了较好的稳定性。通过不同温度下的电性能测试，发现其在100 ℃的温度下的输出保持率达到90%。并且可以为不同容量的电容器充电。

图3. 阻燃纤维素摩擦电材料的摩擦电性能

4. 阻燃纤维素摩擦电材料的耐火性和隔热性能

HAP具有稳定的晶体结构，这保证了复合膜在高温下不被破坏。通过TG分析了阻燃纤维素摩擦电材料的热稳定性。通过垂直燃烧实验对比，发现所制备的阻燃纤维素摩擦电材料较传统耐高温隔热材料（醋酸纤维膜、芳纶膜和玻璃纤维膜）有极大进步。隔热性能测试中，酒精灯加热5分钟后，有复合膜隔离的烧杯中心的水温比空白组低33.3%。，表明阻燃纤维素摩擦电材料具有一定的隔热性能。

图4. 阻燃纤维素摩擦电材料的耐火性和隔热性能

5. 极端条件下的能量收集和自供电传感

防火服在火场救援中保障了消防员的安全，基于阻燃纤维素摩擦电材料制备了用于防火服的自供电传感器。研究结果表明，自供电传感器具有良好的无线传感能力。由于阻燃纤维素摩擦电材料具有优异的耐高温和耐火性能，在200℃下仍能显示18 mV的无线电信号。通过疏水改性，赋予复合膜优异的疏水性能。这使自供电传感器受到火焰和水的侵蚀后，依然保持较为稳定的无线电输出，满足了消防员反复进出火场的需求。而根据其制备的TENG还可以作为自供电救援指示设备，用于疏散火场人员。

图5. 用于消防救援的自供电传感器

在这项工作中，通过化学接枝的方式，制备了一种表面多孔、内部紧密堆积的阻燃纤维素摩擦电材料，并基于该摩擦电材料，制备了一种可以在高温下工作的自供电传感器。复合膜的耐火隔热性能使TENG在高温下保持了优异、稳定的摩擦电性能，在100℃下输出保持率达到90%。单电极自供电传感器可以通过电信号反馈对传感器的环境进行分析。离子交换大大增强了复合膜的疏水性能，即使在火焰和水侵蚀后，其无线电信号仍达到正常情况的75%。这为耐火和隔热摩擦电材料的开发和应用提供了新的思路，在火灾环境下的自供电传感领域显示出突出的潜力和应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108851

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（责任编辑：xu）

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