2023年12月11日，我院王利強教授研究團隊在Small期刊發表題為“Improved Electrical Output Performance of Cellulose-based Triboelectric Nanogenerators Enabled by Negative Triboelectric Materials” （DOI: 10.1002/smll.202308195）的研究論文。闡述了一種高性能纖維素基摩擦電材料的制備方法。充分利用了纖維素氣凝膠中複雜的網狀結構對電荷産生和轉移能力、鐵電材料和介電材料對電荷強親和力的協同效應，實現開路電壓和短路電流分别高達1040 V和1.16 mA的顯著值，性能優于目前所有基于纖維素的負摩擦電材料。論文第一作者為我院博士生王飛傑，第一通訊作者為團隊負責人王利強教授。
有效地利用可持續能源，如太陽輻射、風能、洋流和熱能、既具有挑戰性，又對應對化石燃料枯竭和溫室效應問題至關重要。作為一種有前途的解決方案，以高性能摩擦電納米發電機(TENGs)為基礎的自供電技術在小型電子設備，如柔性傳感器、電子皮膚、植入式設備和智能包裝裝置中展示出巨大優勢。已經提出了多種策略來提高TENGs的電學輸出，包括高頻外部激勵和堆疊多個TENGs。然而，這些方法可能不适合利用自然界中在較低頻率下容易獲得的機械能。其商業可行性和應用可行性取決于其輸出性能，而摩擦電荷密度對其影響很大。因此，開發能夠産生大量表面摩擦電荷的摩擦材料變得至關重要。
針對此問題，我院王利強教授團隊展開了從理論設計到材料開發的系統研究。
開發出一種具有高比表面積的纖維素基負摩擦電材料。通過正向極化處理，進一步放大了鐵電材料對電荷的轉移能力和介電材料對電荷的強捕獲特性，值得注意的是，在外部電阻為6×106Ω時，峰值輸出功率密度高達420 μW cm−2，成功突破為目前纖維素基摩擦電材料中最高值。此外，該TENG具有穩定的電能輸出能力，在100,000次接觸分離試驗中沒有明顯的性能下降。論文工作揭示了纖維素在實現柔性和高性能自供電設備方面的巨大潛力，為纖維素在自供電智能包裝、柔性傳感、能源收集等領域的研究提供了新的思路。
同時得到了江蘇省先進食品制造裝備技術重點實驗室自主科研專項資金(FMZ201902)、江蘇省研究生科研與實踐創新計劃(1072050205238200、1075212042230360)的資金支持。
圖1 改性纖維素氣凝膠基TENG的結構示意圖
圖2 (a)纖維素基TENG的極化處理示意圖。(b)不同極化條件下偶極子變化示意圖和KPFM圖像。(d)摩擦電材料表面之間的電荷轉移行為示意圖及其相應的能帶修正。(e-h)材料介電常數、介電損耗、交流電導率、P-E磁滞回線
圖3 纖維素基TENGS的應用性能
