2023年12月11日，我院王利强教授研究团队在Small期刊发表题为“Improved Electrical Output Performance of Cellulose-based Triboelectric Nanogenerators Enabled by Negative Triboelectric Materials” （DOI: 10.1002/smll.202308195）的研究论文。阐述了一种高性能纤维素基摩擦电材料的制备方法。充分利用了纤维素气凝胶中复杂的网状结构对电荷产生和转移能力、铁电材料和介电材料对电荷强亲和力的协同效应，实现开路电压和短路电流分别高达1040 V和1.16 mA的显著值，性能优于目前所有基于纤维素的负摩擦电材料。论文第一作者为我院博士生王飞杰，第一通讯作者为团队负责人王利强教授。
有效地利用可持续能源，如太阳辐射、风能、洋流和热能、既具有挑战性，又对应对化石燃料枯竭和温室效应问题至关重要。作为一种有前途的解决方案，以高性能摩擦电纳米发电机(TENGs)为基础的自供电技术在小型电子设备，如柔性传感器、电子皮肤、植入式设备和智能包装装置中展示出巨大优势。已经提出了多种策略来提高TENGs的电学输出，包括高频外部激励和堆叠多个TENGs。然而，这些方法可能不适合利用自然界中在较低频率下容易获得的机械能。其商业可行性和应用可行性取决于其输出性能，而摩擦电荷密度对其影响很大。因此，开发能够产生大量表面摩擦电荷的摩擦材料变得至关重要。
针对此问题，我院王利强教授团队展开了从理论设计到材料开发的系统研究。
开发出一种具有高比表面积的纤维素基负摩擦电材料。通过正向极化处理，进一步放大了铁电材料对电荷的转移能力和介电材料对电荷的强捕获特性，值得注意的是，在外部电阻为6×106Ω时，峰值输出功率密度高达420 μW cm−2，成功突破为目前纤维素基摩擦电材料中最高值。此外，该TENG具有稳定的电能输出能力，在100,000次接触分离试验中没有明显的性能下降。论文工作揭示了纤维素在实现柔性和高性能自供电设备方面的巨大潜力，为纤维素在自供电智能包装、柔性传感、能源收集等领域的研究提供了新的思路。
同时得到了江苏省先进食品制造装备技术重点实验室自主科研专项资金(FMZ201902)、江苏省研究生科研与实践创新计划(1072050205238200、1075212042230360)的资金支持。
图1 改性纤维素气凝胶基TENG的结构示意图
图2 (a)纤维素基TENG的极化处理示意图。(b)不同极化条件下偶极子变化示意图和KPFM图像。(d)摩擦电材料表面之间的电荷转移行为示意图及其相应的能带修正。(e-h)材料介电常数、介电损耗、交流电导率、P-E磁滞回线
图3 纤维素基TENGS的应用性能
