Advanced Science：基于介电调控策略的先进纤维素摩擦电材料构筑

01研究背景

随着第四次工业革命的迅猛发展，人们对现代先进材料提出了便捷化、智能化等多项要求。主要用于摩擦纳米发电机(TENGs)的摩擦电材料因其优异的能量收集与转换能力，正在成为可穿戴电子设备、人机交互界面、智能机器人、触觉感知系统等新兴领域的研究热点，激发了人们对多功能摩擦电材料的极大兴趣。纤维素是自然界中储量最丰富的大宗生物质资源，具有良好的介电性能和优异的机械强度，被广泛地应用于多功能摩擦电材料的构筑。近年来，研究人员通过改变纤维素材料的化学结构和制备方法，进一步提高了其介电响应和摩擦电性能，大幅拓展了纤维素摩擦电材料在可穿戴设备、人机交互以及自驱动传感等前沿电子领域的应用前景。在此背景下，深入研究纤维素的介电极化机制并探究其调控规律对于先进介电材料的开发具有重要的科学和工程意义。

02研究内容

纤维素是自然界中常见的一种聚合物，具有天然的正摩擦电特性、高丰度、高柔韧性、高化学反应性、可组装性、可生物降解性和生物相容性等独特优势。已广泛应用于能量收集、自供电传感器、人机交互、智能监控、柔性可穿戴电子设备等物联网应用。纤维素材料能够在工业中持续扩大和制造，有希望满足未来TENG对可持续先进摩擦电材料的大量需求。

图1 基于介电调控的先进纤维素摩擦电材料

首先介绍了纤维素摩擦电材料的结构和优势特性。纤维素主要通过1,4-β-糖苷键连接β-D-葡萄糖单体组成，是常见的可再生资源，丰富的极性羟基，赋予其非常高的失电子倾向，与带负电的材料接触会发生起电效应，展示出优异的摩擦电性能。

图2 纤维素纳米复合材料的界面模型和介电表征技术

其次，从介电常数、极化机制、介电测量技术等方面为纤维素的介电调控提供了理论基础。提供了物理结构设计、化学基团修饰以及功能填料选择等方面的指导性策略。

图3 高介电纤维素摩擦电材料用于TENGs阻抗匹配

最后，展示了高介电纤维素摩擦电材料在能量收集、可穿戴电子设备、阻抗匹配等智新兴领域的最新应用。

03结论与展望

本综述介绍了一种通过介电调控策略构筑高介电性能纤维素摩擦电材料的创新思路。作为一种很有前景的材料制备方法，介电调控通过赋予纤维素摩擦电材料优异的功能特性，极大地扩展了纤维素基TENG的应用潜力。本文的最后对纤维素摩擦电材料的大规模推广进行了详细讨论，从纤维素极化性能的基础研究、潜在的调控策略、纤维素材料的定制化设计、摩擦电性能提升与可持续性的平衡以及进一步开发前瞻性应用等方面进行了深入讨论和分析，展望未来前景的同时也提出了许多亟待解决的关键挑战。

原文信息

论文题目：Fabrication of Advanced Cellulosic Triboelectric Materials via Dielectric Modulation

第一作者：杜国立

通讯作者：聂双喜

通讯单位：广西大学

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202206243

本文由作者供稿