王双飞院士团队Small:动态热稳定的纤维素摩擦电材料

在天文探测、国防工业、地下石油勘探等许多领先的工业应用中，不可避免的需要外接电源，而极端高温环境是电源与传感器件稳定运行的根本障碍。摩擦纳米发电机（TENGs）作为一种新颖的能源收集与传感装置，该传感器无需外部电源，能够有效避免储能装置的热失控，因此在极端高温环境条件下展现出无与伦比的潜力。耐温摩擦电材料的开发是保障TENGs在极端高温环境下稳定运行的基础。因此，极端高温环境对TENG的摩擦电材料提出了更高的要求。

近日，王双飞院士团队基于多级非共价相互作用设计了动态热稳定的纤维素摩擦电材料，相关工作近日发表在期刊Small 上。基于摩擦电材料的TENGs在高温下表现出比现有设备高出一个数量级以上的功率输出（200 °C时为2750 mW m-2）。这些性能的实现，基于高度非键合状态下的焓驱动分子组装。因此，在熵主导的高温环境中，该材料保持了结合强度和超高的表面电荷密度。这种分子设计理念为制备具有优异摩擦电性能的聚合物指明了一个有前景的方向。

图1. 高温下聚合物摩擦电材料的设计策略示意图。

图2. 纤维素摩擦电材料高温稳定性的设计。

图3. 极端条件下摩擦电材料的电荷密度。

图4. 纤维素摩擦电材料的耐高温的原理。

图5. TENGs在极端环境下的适用性。

本研究开发了一种基于多级非共价键合相互作用的纤维素摩擦电材料，在严重的热冲击循环下表现出机械稳定性，并在极端环境条件下实现192 μC m-2的超高表面电荷密度。基于摩擦电材料的TENGs在高温（200 °C）下实现了前所未有的高达2750 mW m-2的功率密度。这种分子设计理念为制备具有优异摩擦电性能的耐温聚合物指明了一个有前景的方向，为航空航天、地下石油等自供电传感器等电子器件可持续发展的解决方案。

Dynamic Thermostable Cellulosic Triboelectric Materials from Multilevel-Non-Covalent Interactions

Jinlong Wang, Yanhua Liu, Tao Liu, Song Zhang, Zhiting Wei, Bin Luo, Chenchen Cai, Mingchao Chi, Shuangfei Wang, Shuangxi Nie

Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202307504