聂双喜教授团队：超疏水纤维素摩擦电材料

摩擦电纳米发电机（TENG）的发展使得收集大规模分布式能量成为可能，其在能量收集领域的应用前景广阔。然而，水分子在潮湿环境中的侵蚀是限制摩擦电材料应用的主要挑战。

近日，广西大学聂双喜教授（点击查看介绍）团队通过纤维素化学改性制备了超疏水甲基化纤维素摩擦电材料，并设计了具有内部网格结构的矩形TENG（RT-TENG）用于分布式能量收集。采用十六烷基三甲氧基硅烷与二氧化硅纳米颗粒对纤维素纳米纤维（CNF）表面进行界面修饰以形成纳米级微结构表面，制备出具有超疏水性能的甲基化CNF薄膜。结果表明，改性CNF具有优异的超疏水性（WCA:154.7°）、表面粗糙度（RMS:72.61）和低表面能。同时甲基的引入也促进了CNF膜的摩擦电性能。此外，网格结构的TENG设计允许外部冲击力更均匀地施加于摩擦电材料的表面。当其应用于分布式能量收集时，表现出优异的电输出性能（120 V）和循环稳定性（10000次循环）。本研究为超疏水摩擦电材料的设计和制备提供了新的策略，并指导了分布式能量收集的研究。这项成果发表在最新一期Chemical Engineering Journal 上。

图1. RT-TENG的结构设计和工作原理。

TENG结构设计不仅影响其输出性能，还影响实际应用。在本研究中，提出了一种具有内部栅格通道的矩形TENG装置，如图1a所示。多个铁球分散并集成在内部栅格通道内，通过滚动并撞击发电单元以驱动TENG中的摩擦电材料充分接触。此外，内部的齿轮状结构增加了空间利用效率和接触面积，并提高了RT-TENG输出性能。

图2. 甲基化疏水纤维素的表征。

图3. 甲基化疏水纤维素的摩擦电性能。

纤维素纳米纤维（CNFs）具有广泛的可用性、轻质性和优异的机械性能。同时其丰富的羟基为其提供了可观的可修饰性。甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）用作疏水改性试剂以交联CNF和二氧化硅纳米颗粒形成纳米级微结构表面，制备出具有超疏水性能的CNF膜。利用多种表征手段对薄膜表面官能团和相关性能进行表征，评价表面改性效果和摩擦电输出性能。

图4. RT-TENG用于分布式能量收集。

将超疏水甲基化纤维素作为摩擦正极材料，设计了具有内部栅格通道的矩形TENG（RT-TENG）装置，该装置在水波中表现出高效的输出性能、响应性和稳定性，并证明了其在分布式能量收集中的价值。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Superhydrophobic cellulosic triboelectric materials for distributed energy harvesting

Chenyuan Zhang, Wanglin Zhang, Guoli Du, Qiu Fu, Jilong Mo, Shuangxi Nie*

Chem. Eng. J., 2022, DOI: 10.1016/j.cej.2022.139259

导师介绍

聂双喜

https://www.x-mol.com/university/faculty/338324