研究背景
随着智能时代的到来和自供电可穿戴电子设备需求的激增，如何在保证性能输出的同时提升耐用性和佩戴舒适度已成为亟待解决的难题。纤维素摩擦电气凝胶作为兼具轻量化、可持续及高性能优势的理想材料，完美融合了纤维素与气凝胶的特性，是自供电可穿戴传感器的理想选择。然而，高孔隙率的纤维素摩擦电气凝胶普遍存在结构稳定性不足的问题，在循环载荷下容易发生形变甚至结构失效。如何设计出兼具卓越的摩擦电特性与机械稳健的纤维素气凝胶，仍是当前研究的重点。尽管科研人员已开发出多种自下而上的设计与优化策略来提升性能，但针对轻量化与强韧性的系统性评估仍显不足。
文章概述
近日，聂双喜教授团队就合理设计轻质且坚固的纤维素摩擦电气凝胶，用于自供电可穿戴电子的研究进展进行综述。文章旨在从材料的优势、设计策略及其在自供电便携式电子设备中的应用作全面回顾。概述了纤维素摩擦电气凝胶的优点，包括可持续性、生物降解性、易于改性和孔隙率。系统回顾了基于冰模板法和3D打印技术的结构定制与加固的一般策略。并且进一步总结了通过化学或物理方法提高摩擦电性能的通用路径。此外，讨论了纤维素摩擦电气凝胶在自供电便携式电子产品中的代表性应用。最后，展望了纤维素摩擦电气凝胶在器件结构设计，多功能设备集成，植入式TENG系统等方面的未来发展方向。该项成果以题为“Lightweight and Robust Cellulosic Triboelectric Aerogels: Design, Properties and Applications”发表在国际学术期刊《Matter》上。2025级博士研究生张立鑫为本文第一作者，蔡晨晨博士后和聂双喜教授为通讯作者，罗斌、王金龙、刘涛、迟明超等参与研究。
图1. 纤维素摩擦电气凝胶的原材料、结构设计和多功能应用
图文导读
1. 纤维素摩擦电气凝胶的优势
- 可降解性和生物相容
纤维素可在自然环境下逐步降解为二氧化碳和水，整个过程无污染、无残留，相比传统非生物质摩擦电聚合物或金属对环境更加友好。并且，纤维素材料具备优异的生物相容性，与生物组织接触时，仅引发微弱炎症反应与异物反应，是可穿戴传感器、植入式医疗电子设备的理想材料。
图2. 纤维素的结构和来源
- 丰富的表面活性位点
纤维素分子链富含大量的活性羟基。得益于丰富的羟基活性位点，纤维素可通过氧化、酯化、醚化等反应轻松完成表面官能团修饰和定制，形成多种纤维素衍生物。具有不同极化能力的官能团，不仅能精准调控纤维素材料的摩擦电特性，而且为纤维素气凝胶的构建提供了有利的环境。
图3. 纤维素表面丰富的活性羟基
- 独特的水界面特性
纤维素分子兼具亲水与疏水表面，在水溶液中具备独特的界面特性。纤维素上的羟基在水中可电离，产生水合氢离子和氢氧根离子，使纤维素表面带负电。水作为极性分子能够通过氢键吸附在纤维素表面，形成多层水膜结构。通过改变纤维素在水中的润胀程度可以实现刚性-弹性转变，并调控材料的离子电导率。
图4. 纤维素-水界面特性
- 可定制的多孔结构
纤维素摩擦电气凝胶的孔径大小与孔分布状况决定了其结构和功能特性。天然纤维素的溶解、再生和冷冻干燥后会形成连续均匀的介孔和大量微孔组成的纤维素网络，兼具强度与柔韧性，展现出优异的机械响应灵敏度。同时高孔隙率导致高表面电荷密度，进一步提高材料的摩擦电输出能力。
图5. 不同孔隙尺寸气凝胶的示意图、实物图和SEM图
2. 纤维素摩擦电气凝胶的构建策略
- 冰模板法
冰模板法（又称冷冻铸造）是一种通过在温度场中固化溶液或悬浮液来设计特殊多孔结构的材料加工技术。其工艺流程包含三个步骤：制备稳定悬浮液、固化悬浮液，以及最终通过升华去除固化的溶剂模板以获得完整的固相结构。最终材料的结构与冰晶形状基本一致，因此结构设计的核心在于调控冰晶成核与生长过程。
温度梯度是控制冰晶生长的关键因素。构建不同的温度梯度可以诱导冰晶向固定方向生长，形成层状或放射状结构。此外，冷表面的润湿性和基板表面沟槽的宽度（W）、间距（D）与周期（λ=W+D），也会在一定的条件下影响冰晶的生长模式。
图6. 影响冰晶生长的三种因素：温度梯度、润湿性梯度和沟槽
除了直接控制冰晶的生长模式，通过调整悬浮液的组分，如添加纳米材料或盐析，也可以改变冰晶生长路径，调控冰晶模板形态，形成特异性孔隙结构，赋予材料独特的力学特性。
图7. 构建多尺度冰晶模板
- 3D打印技术
3D打印技术，尤其是直接墨水书写（DIW）凭借低成本、快速成型优势，可制备结构复杂、设计灵活的三维多孔结构。纤维素可在水中形成稳定胶体悬浮液，并且可以通过改变浓度或高压均质调控流变性能，是用于3D打印的理想材料。
图8. 3D打印技术
除了影响材料的机械性能外，多孔结构设计也会改善其摩擦电输出特性。多孔结构可以增加TENG摩擦层之间的有效接触面积。有效接触面积越大，表面电荷密度越高，摩擦电输出能力越强。并且，丰富的开孔可以作为电荷捕获位点，通过减少电荷损耗防止电荷密度下降。此外，弹性气凝胶在压缩和恢复过程中气固界面处的接触电气化对表面电荷密度的贡献也不容忽视。
3. 用于TENG的纤维素气凝胶的增强策略
- 物理策略
为了提高纤维素气凝胶的摩擦电输出能力，可以通过掺杂导电填料或高介电常数纳米颗粒，如碳纳米管（CNT）、银纳米线、MXene、石墨烯，钛酸钡和二氧化钛等。高介电常数的纳米颗粒可以在纤维素基体中构建更多界面区域，增强介电极化与空间电荷积累，从而提高表面电荷密度。但是填料过量会导致漏电流或团聚，减少聚合物与纳米颗粒的界面面积，破坏界面极化。
图9. 物理策略
- 化学策略
通过化学修饰在纤维素表面引入具有不同接受或提供电子能力的官能团，可以精准调控材料表面电荷密度。电子供体基团能增加材料表面电子云密度，促进电子流失并带正电荷；反之，电子受体基团则降低表面电子云密度，增强材料的电子捕获能力。通过调控具有不同电子供体或电子受体能力的官能团数量和密度，可精确调节纤维素材料的电荷密度范围。
图10. 化学策略
4. 纤维素气凝胶基TENG在能量收集和传感中的应用
- 小型传感器设备的能量收集
人类日常活动产生的机械能难以通过传统方式收集利用，而TENG技术能够采集并转化这些能量为小型电子设备供电，如小型计算器，湿度计等。通过合理的物理或化学修饰步骤可以赋予纤维素气凝胶良好的疏水能力和环境适应性，使其能够在极端恶劣环境中稳定正常工作。
图11. 环境能量收集
- 人类活动监测
轻质且坚固的纤维素摩擦电气凝胶，能够提供更加舒适的穿戴体验和更加稳定的监测数据，尤其在需要大量传感器集成应用的监测场景，如虚拟现实，人机交互等。
图12. 人类活动监测
总结
轻质与坚固的矛盾限制了可穿戴电子设备的发展。纤维素摩擦电气凝胶凭借多孔结构与独特的界面特性，使可穿戴电子设备能够在复杂环境中实现稳定自供能的巨大潜力。本综述系统梳理了纤维素摩擦电气凝胶在自供电可穿戴电子领域的最新研究进展。通过冰模板法，3D打印，物理掺杂及化学改性可以实现多孔结构和表面电荷密度的调控。纤维素摩擦电气凝胶的未来研究方向，包括新型纤维素气凝胶的研究与改性、器件结构设计与优化、多功能集成、植入式TENG系统开发以及结合先进设备的规模化制造工艺。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102415
