随着摩擦纳米发电机（TENGs）在分布式能源收集和自供电传感等领域的快速发展，可持续和高性能的摩擦电材料的开发和利用成为了研究的热点。然而，高湿环境下摩擦电材料工作性能较弱，限制了TENGs作为传感器的广泛应用。为了制备高性能摩擦电材料，通常构造特定的形态结构来提高TENG在高湿环境中的性能，而模板法是构造特定形态的首选策略之一。因此，利用模板法来开发一种高湿环境下性能优良的摩擦电材料备受期待。
针对该问题，王双飞院士团队"先进木质纤维材料"课题组以天然纤维素为模板制备了亲水性摩擦电材料，为高湿环境下实时自供电传感提供可持续输出。研究发现，该摩擦电材料具有高灵敏度(0.8/1%)和高稳定性(150 s)的良好性能，能够在高湿环境下进行可视化湿度传感和呼吸监测。这项成果以题为“Cellulose template-based triboelectric nanogenerators for self-powered sensing at high humidity”发表在《Nano Energy》上。文章通讯作者为聂双喜教授。
天然竹材具有在多个维度上组装不同层次结构的先天优势，不同的层次结构赋予了竹材宏观上优越的性能。基于模板法构筑纤维素基摩擦电材料主要分为“脱木素”和“减压浸渍”工艺。首先从天然竹材中去除木质素与半纤维素以制备分层多孔的纤维素支架。然后将纤维素支架浸入Ti3C2Tx溶液中进行减压浸渍。最终材料具有高的亲水性和独特的孔道结构为其后续作为湿敏摩擦电材料提供无限应用潜力。
图1. 基于纤维素模板摩擦电材料的制备。
将该材料作为TENG正极摩擦材料在不同湿度环境中进行测试。研究发现，该湿敏摩擦电材料能够在较宽的湿度范围内保持高灵敏度、高稳定性的优异性能。实验证明了湿敏纤维素摩擦电材料对湿度进行无线实时传感的可行性。
图2. 纤维摩擦电材料的湿敏特性。
基于这种可靠的监测方式，设计了可视化无线实时传感系统，使传感信息更加便捷。实验证明，该材料能够在高湿环境下进行可视化非接触湿度传感和呼吸监测。基于该材料的自供电可视化设计更加符合万物互联的理念并能够便捷的接收生物信号。
图3. 高湿环境下纤维素摩擦电材料用于自供电传感。
综上所述，本工作以天然纤维素为模板制备了亲水摩擦电材料，并将其用于高湿环境下的自供电传感。这种湿敏摩擦电材料在宽湿度范围内(40%-90% RH)具有高灵敏度(0.8/1%)和高稳定性(150 s)。该研究有效拓展了TENGs作为传感器的应用范围，并为高性能湿敏摩擦电材料的设计提供了新颖的思路。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108196
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