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化材学院生物质仿生智能研究团队在《Nano Today》期刊发表高水平综述论文

时间:2024-03-18  作者:谢秀琴  点击数:

3月14日,林业工程学科生物质仿生智能研究团队在材料科学领域国际期刊《Nano Today》(中科院1区,IF=17.4)在线发表题为《用于可持续机械传感和能量收集装置的新兴纤维素材料:进展与前景》(Emerging cellulosic materials for sustainable mechanosensing and energy harvesting devices: Advances and prospect)的综述论文。第一作者是该团队硕士研究生廖嘉棋,通讯作者为Kaiyun·开云(中国)官方网站沈晓萍副教授和孙庆丰教授,合作作者包括美国得克萨斯理工大学Julia L. Shamshina助理教授和沈阳化工大学赵大伟教授。Kaiyun·开云(中国)官方网站化学与材料工程学院为该论文第一单位和通讯作者单位。

该综述论文全面总结了近年来基于摩擦纳米发电效应的纤维素基机械感受和能量存储器件(Cellulosic materials for sustainable mechanosensing and energyharvesting devices)的研究进展和展望,系统提供了目前主流的纤维素基纳米摩擦电器件汇编,涵盖了从组成和加工到优化和应用的各方面研究(图1),重点阐释了基于摩擦电效应的新型纤维素基离电智能材料的内在作用机制和性能提升策略。

图1 图形摘要

该综述囊括了各类纤维素基新兴材料的纳米摩擦效应,从木材、竹材等天然生物质到微纳纤维素基重组材料,如表面微图案薄膜、气凝胶、水凝胶、离子凝胶等,其摩擦电效应的影响因素包括摩擦层的电荷密度和接触面积、接触模式、磨损程度、电荷收集和传播效率等。由于纤维素在摩擦电序列中占据中间位置,表现出弱阳极性,限制了其高效产生摩擦电荷的能力。根据不同形式纤维素基材料的结构特性,我们将最重要的表面电荷密度增强机制分为三种类型:(1)非多孔致密材料的极性主导摩擦电效应,(2)多孔材料的比表面积主导摩擦电效应和(3)凝胶电极的离子电导提升效应。通过一系列的纤维素修饰技术,包括表面微纳结构创建、化学试剂处理和物理介/导粒子掺杂,有望达到甚至超越传统摩擦电器件的输出性能基准。此外,本文梳理了纤维素基材料在实际应用中电荷感应和输出性能的耐久性不足、吸湿性过强等问题的解决路径。论文最后列举了纤维素基摩擦电效应器件在智能感应和能量收集领域的关键研究挑战,并提出了相应的发展展望(图2)。

图2 纤维素基摩擦纳米发电效应概念图

(化材学院  谢秀琴)

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