福建农林-袁占辉团队 | 纤维素基摩擦纳米发电机性能增强的技术策略

一、研究背景：

自2012年首次报道TENG（triboelectric nanogenerators）以来，从环境中收集机械能转化为电能的相关研究引起了科学家们极大的关注并迅速发展。本论文首先介绍了历年来有关TENG创新性材料的制备和性能提升的研究进展（图1）。这些研究虽然取得了许多显著进展，但大部分高性能TENG使用的材料不可持续且材料和制备方法对环境并不友好，而具备环境友好性的天然材料却不具备高摩擦电输出性能。因此，在追求高性能的同时，如何平衡材料的可持续性与环境友好性，仍然是一个亟需面对的重大挑战。目前在所有研究的TENG材料中，纤维素因其资源丰富、可降解、且廉价而成为一种极具潜力的应用材料。然而，仅用纤维素为原料制备的TENG并不能体现较好的性能，所以大量相关的论文都侧重于研究如何提高纤维素的性能响应。在这些研究中，出现了多种关于纤维素改性的制备方法，而这些方法的原理和优缺点都有所差异，因此，团队认为十分有必要对这些方法进行明确的分类和总结，为广大科研工作者在日后的研究中提供一些归纳信息。

图1. TENG的发展进程

二、文章简介：

近日，福建农林大学材料工程学院袁占辉教授团队（生物质基先进催化及功能材料团队）在增强纤维素基摩擦纳米发电机的能量收集性能和可持续性方面，总结并综述了有关最新纤维素基摩擦纳米发电机性能增强的技术策略，在国际材料、能源类顶级期刊《Nano Energy》在线发表论文题目为"Enhancing energy harvesting performance and sustainability of cellulose-based triboelectric nanogenerators: Strategies for performance enhancement"。博士研究生廖洪武为第一作者，团队负责人袁占辉教授为第一通讯作者，团队成员王冲博士、日本名古屋大学的Yusuke Asakura教授和闽江学院的王莉玮教授为共同通讯作者。

三、文章内容：

为了了解纤维素作为TENG材料的适合改性方式，就要从纤维素的理化结构去诠释。本论文详细描述了TENG的工作过程和模式（见图2），指出了作为TENG器件关键组成部分的磨擦层材料必须具备感应电荷产生能力强、电荷传输快和电荷积累多等特点。首先纤维素中富含的羟基基团适合与一些极性化学官能团进行接枝改性，来增强整体纤维素分子的偶极矩，从而提高摩擦产生的感应电荷量。其次纤维素分子中通过氢键结合形成含有结晶和非晶区域的晶体结构，赋予了纤维素部分压电特性，从而使其具有电荷积累特性。最后，丰富的极性羟基还有助于纤维素在机械变形时产生电荷分离，形成电位差促使电荷传输。所以与其他材料相比，纤维素表现出较高的摩擦电序列。综上所述，纤维素具有的感应电荷响应能力、压电特性和电荷分离特性使其适合成为TENG材料并进行改性使用。

图2. 四种TENG模式的工作原理：(a) CS模式、(b) LS模式、(c) SE模式和(d) FT模式

四、结论与展望：

本论文主要目的是为采用纤维素作摩擦发电材料开发TENG的科研工作者提供有效的策略方向，帮助科研工作者在纤维素基TENG领域选择适合的改性方法。在文章结尾，本文还对目前纤维素基TENG发展所面临的困难和机遇进行了归纳和展望。团队希望这些展望能够为未来纤维素基TENG研究领域提供一定的方向，为实际应用能提供一些重要的思路，促进纤维素基TENG领域的科学研究和实际推广。

五、致谢：

感谢福建省科技厅（No.2022H6021）、福建省林业科技项目（No.2023FKJ27）、福建省自然科学基金（No.2020J01833）、法树基金会(MFK23007)、KIST 机构计划 (2E32511) 等项目的资助，以及JST-ERATO Yamauchi 材料空间构造项目 (JPMJER2003) 和澳大利亚国家制造设施昆士兰节点的帮助。

Authors: Hongwu Liao¹, Jongbeom Na², Weiming Zhou¹, Seungjae Hur², Monica Chien³, Chong Wang¹*, Liwei Wang⁴*, Yusuke Yamauchi³* and Zhanhui Yuan¹*

Title: Enhancing energy harvesting performance and sustainability of cellulose-based triboelectric nanogenerators: Strategies for performance enhancement

Published in: Nano energy, doi:10.1016/j.nanoen.2023.108769

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108