Nano-Micro Letters：纤维素摩擦电材料用于可穿戴电子设备

01背景介绍

随着万物互联和人工智能时代的开启，服务于工业生产和便捷生活的定制化柔性电子技术得到了快速发展，人们对于可实现无线传输、在线控制、独立运作的可穿戴自供电设备的呼声越来越高。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种先进的分布式能量收集技术，在柔性电子和可穿戴设备领域具有广阔的开发潜力和研究价值。纤维素作为来源丰富的天然高分子材料，具有材料形式多样化和应用广泛等特点，在自供电可穿戴领域有着良好的应用拓展。与常见聚合物材料制备而成的可穿戴电子设备相比，基于纤维素的自供电可穿戴电子设备在柔韧性、透气性、功能性和佩戴舒适度等方面具有显著优势。在此背景下，深入探讨纤维素摩擦电材料的性能调控策略和材料设计策略，为定制设计纤维素基自供电可穿戴电子产品提供了新的视角。

02研究内容

纤维素具有优异的生物相容性、柔韧性、链段可修饰性、介电性能和压电性能，是一种来源广泛的天然高分子材料。纤维素的优异特性使其容易被制作成形式多样的多功能材料，近来在自供电可穿戴电子产品领域有着广泛应用。

图1 纤维素基自供电可穿戴电子产品

本文首先从界面设计的角度出发，介绍了材料制备过程中的界面特性。通过增大界面面积、提高复合材料的介电常数，能有效地改善材料的摩擦电特性，起到增强电荷密度或调控电荷特性的效果。讨论自上而下、自下而上和复合材料的界面特性，对于纤维素功能材料（例如结构材料、薄膜、细丝、气凝胶和泡沫）的摩擦电性能增强具有重要意义，为其在自供电可穿戴领域的应用奠定基础。

图2 纤维素摩擦电材料构筑过程的界面属性

其次，从性能调制的角度，讨论纤维素摩擦电材料的摩擦正极性、摩擦负极性和电荷密度等调制思路。纤维素摩擦电材料的性能调制对摩擦电输出的稳定性和性能增强具有重要影响。

图3 纤维素摩擦电材料的电荷密度

近年来，应用于自供电可穿戴传感器领域的纤维素摩擦电材料的种类逐渐增多，材料设计方法对应于材料的应用而言具有重要意义。总结了纤维素摩擦电材料的合理设计策略，包括表面功能化、界面结构控制、真空辅助自组装等。

图4 表面功能化设计策略

随着无线网络时代的发展，人们对实施可穿戴、便携式生物电子产品的应用需求不断增长。最后，系统总结了纤维素摩擦电材料在人体能量收集、触觉传感、健康监测、人机互联和智能火灾预警等可穿戴电子产品领域的应用。

图5 用于触觉传感的自供电可穿戴电子设备

03结论与展望

本文对先进纤维素摩擦电材料用于自供电可穿戴电子产品的应用进行了系统综述。重点关注了纤维素可穿戴电子产品在人体能量收集、触觉传感、健康监测、人机互联和智能火灾预警等领域的应用。同时，详细阐述了纤维素材料构筑过程中自上而下、自下而上和复合材料制备过程的界面特性。从可穿戴电子设备性能需求的角度，探讨了表面电荷极性和电荷密度对纤维素摩擦电材料输出性能的影响。系统讨论表面功能化、界面结构设计、真空辅助自组装等材料设计方法，为定制设计纤维素基自供电可穿戴电子产品提供了新的视角，进一步激发生物质材料在自供电可穿戴领域的应用潜力。

原文信息

论文题目：Rational Design of Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Wearable Electronics

第一作者：蒙香江

通讯作者：聂双喜

通讯单位：广西大学

原文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01094-6

本文由作者供稿