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木质纤维生物质作为人类社会依赖的重要资源，是一类来源丰富、可天然再生、可生物降解的优质天然高分子材料，由于其独特的光学和机械性能，以及在化学改性和重构方面的潜力，常被用作摩擦发电纳米发电机（TENGs）的构建材料。利用木质纤维的优势来设计先进的功能材料，将对TENG自供电能源设备的绿色化和规模化具有重要的意义。
【成果简介】
日前，广西大学王双飞&聂双喜团队综述了木质纤维基功能材料在TENG领域应用的最新研究进展。该综述通过分析木质纤维及其相关衍生材料的结构特征，介绍了木质纤维在TENG中的应用场景和优点。重点分析了木质纤维摩擦起电性能的影响因素及木质纤维材料作为TENG摩擦层的研究进展。通过对木质纤维基TENG进行结构设计和性能优化，分析了其在能量收集、传感和可穿戴等领域的应用现状。最后，讨论了开发木质纤维基TENG存在的挑战以及相关智能电子产品的未来前景，以期对木质纤维基TENG的大范围推广和应用做出贡献。该成果以题为“Wood-cellulose-fiber-based functional materials for triboelectric nanogenerators”发表在最新一期《Nano Energy》上。
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【图文解析】
1. 木质纤维素纤维的基本特点及在TENG领域中的优势
木质纤维是地球上最丰富的天然材料，作为一种可再生、低成本、和可生物降解的材料，它已广泛用于建筑，储能和柔性电子设备。本章介绍了木质纤维素纤维的提取，分子结构及其基本特性，并总结了木质纤维在TENG领域中的应用研究进展（图1）。图2展示了木材的多尺度层次结构和衍生物材料，这些木质纤维素材料往往具有良好的化学可及性、独特的光学性质和可控的形态结构，被广泛应用在绿色电子产品的领域中。如图3，纤维素约占木材纤维原料的40%~50%，是木质纤维的主要成分，纳米尺度下的纤维素具有独特的几何尺寸，它可以在给设备提供机械支撑的同时保证TENG设备的灵活性和拓展性，此外纤维素优异的化学反应活性有利于纤维素通过化学修饰将特定的官能团引入纤维素分子中，可以根据实际需求来实现木质纤维素基TENG不同的用途和功能。此外，如图4所示，木质素作为木质纤维中的主要成分之一，其含量仅次于纤维素，其碳含量高达60%，成本低廉，是理想的碳基来源，可以制备出不同形式结构的碳材料，如碳纤维，活性炭等，在电子设备的生产中具有更大的优势。
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图1 木质纤维素基TENG的发展历程TENG主要由摩擦材料、导电材料和基底材料等部分构成，具有效率高，结构简单和材料多样的独特优势。基于可持续发展的理念和规模化生产的需求，木质纤维的独特性能和良好的可加工性使其适合生产用于TENG电子产品的木质纤维功能化构建材料以实现TENG的绿色化和规模化。本部分首先概述了木质纤维摩擦电性能的影响因素，然后着重介绍了木质纤维基功能材料在TENG器件制备当中作为摩擦材料、导电材料和基底材料的研究工作及优势(图5)。图2木材的多尺度层次结构和衍生物材料：a）木质纤维素纤维的层次结构和形态示意图；b）木材细胞壁结构的横截面和纵向组成；c）利用制浆技术生产木材纤维和木质素聚合材料并顺序组装成具有不同形态和功能的衍生物材料图3纤维素材料的结构、类型、衍生物、加工技术以及在电子器件中的应用图4木质素材料的结构、加工技术以及在电子器件中的应用图5木质纤维素纤维TENG。（a）基于柔性W-TENG的天然木质智能乒乓球桌示意图；（b）W-TENG在自行供电落点分布统计系统中的实时统计结果，当乒乓球撞击4×2w-TENG阵列表面时，实时输出电压信号沿着一条路径：1-a→2-a→3-B→4-B。（c）制备IBTENG的工艺流程以及摩擦层和制备IB-TENG的照片。（d）透气性P-TENG示意图。（e）有孔和无孔的P-TENG的透气性比较，不同洗涤周期P-TENG的输出电压。（f）可穿戴全织物键盘的总体示意图和结构凭借着木质纤维的独特优势，以木质纤维为来源的纤维素，木素等衍生材料及相关产品在TENG领域中引起了研究人员极大的兴趣和关注，但是其中丰富的氧原子的存在使其表现出高的电子损失趋势。这意味着使用纯天然的木质纤维材料作为TENG摩擦材料可能会对TENG的输出性能受到一定的限制。针对这个问题，本部分对当前木质纤维基TENG性能改进的研究工作进行总结，从木质纤维材料极性设计（图6）、表面形貌设计（图7）和木质纤维基TENG器件结构设计（图8）三个方面讨论现有改进方式，并在这些研究基础上提出新的发展方向。图6（a）Au薄膜表面接枝的硫醇分子结构.（b）CNF,FEP,硝基化CNF,和甲基化CNF与标准GaIn共晶液态金属电极首次接触分离过程中所测电流；（c）由甲基化CNF/硝基化CNF组成的TENG输出电压和电流；（d）由硝基-CNF /甲基-CNF对制成的TENG的循环电压输出.图7（a）CNF /磷烯纳米纸的制造图解，光学图像以及横截面SEM图像（b）—（d）从左至右依次为硅胶纤维（头发、兔毛）的光学照片和相应的SEM图像，硅胶纤维（头发、兔毛）与CNF复合气凝胶薄膜的光学照片和表面形态，由复合气凝胶/聚酰亚胺组装而成的TENG的开路电压和短路电流测试图8（a）具有线条、立方和金字塔特征的图案化PDMS薄膜的SEM图像（b）基于CNF的全印刷摩擦电纳米发电机的制作流程.（c）由CNF / PEI气凝胶薄膜和PVDF纳米纤维垫制成的TENG的示意图，插图为具有20％PEI的CNF / PEI气凝胶形貌表征；（d）由CNF / PEI气凝胶薄膜和PVDF纳米纤维垫制成的TENG的工作原理示意图.图9（a）对称结构（ABBA）和交替分层结构（ABAB）TENG模型示意图.Reproduced with permission（b）多个单元的折叠纸基摩擦纳米发电机的示意图，插图分别为折叠纸基TENG的独立单元和多单元照片；（c）折纸TENG实现拉伸，提升和扭曲运动，其中箭头表示施加力的方向，插图为运动所产生的开路电压和短路电流.（d）齿形纤维素基TENG的结构示意图凭借着柔性、生物相容性等特点，木质纤维基TENG已被应用在众多领域，比如对人体或自然能量进行收集转化的可持续电源，用于医疗、基础设施、环境监测方面的传感器以及自供电可穿戴设备。本章节主要对当前木质纤维基TENG在能量收集（图10）、传感器网络（图11）和可穿戴电子设备领域（图12）已经取得的重大进展进行总结，讨论现有应用领域并在这些研究基础上提出新的应用发展方向。图10（a）基于CNF的TENG纤维板的制造过程和体重正常的人反复踩踏30次时，纤维板的开路电压和短路电流输出.（b）超薄纸基TENG的结构示意图；（c）解释声波引起的超薄纸基TENG中PTFE膜振动和发电的示意图；（d）超薄纸基TENG的应用演示，通过回收手机的声能给2μF电容器充电，作为自供电麦克风进行录音，固定在建筑物玻璃窗上的回收环境噪声以发电.图11（a）集成在书中的纸基TENG传感器的结构，翻动书本时对应于不同层的电流电压峰值；（b）该照片传感器用于收集用手触摸书本的能量，以驱动LED作为警告蜂鸣器.（c）由1×7 个纸基TENG单元组成的自供电纸钢琴的照片以及每个单元的结构示意图；（d）通过微控制器与计算机连接的纸钢琴的电路图；（e）利用自供电的纸钢琴弹奏歌曲的应用演示图12（a-b）第一个基于纤维的TENG制造工艺流程、工作机制及其可穿戴演示.（c-d）聚吡咯涂层的棉纺织品工艺流程以及穿戴式单电极模式摩擦纳米发电机（PPy-WSEM-TENG）设备的结构示意图和实物图；在人的手轻轻拍打，PPy-WSEM-TENG的电压电流输出曲线以及整流后在10μF电容器中产生的充放电电压曲线（e）基于纤维素纳米材料的TENG（CF-TENG）设备示意图以及纤维素微纤维/纤维素纳米纤丝/ Ag分级纳米结构的制造工艺流程，并将其应用于可穿戴医疗保健产品；（f）将CF-TENG设备植入口罩并由人的正常呼吸和跑步后呼吸触发时的演示照片和电信号，CF-TENG植入口罩和棉口罩在气流通道中的PM2.5去除效果比较演示图和数据对比.自2012年王的团队提出TENG的概念以来，木质纤维相关材料就以基材、电极或摩擦材料等形式参与到TENG的制造设计当中。与合成聚合物相比，木质纤维在化学，结构，介电和光学性质等方面具有许多独特的特征和优点，因此在TENG相关领域具有极大的应用前景，但仍存在着众多机遇和挑战。包括：（1）超高性能木质纤维摩擦电材料的开发。在未来的研究中，一方面可以利用纳米纤维素可控的形态、孔隙率和几何尺寸，对单纯纤维素材料或者复合纤维素材料结构进行合理设计以实现超高的电荷密度；另一方面，利用纤维素材料的化学课修饰性通过超支化等方式引入合适且具有较长链的分子可以极大的增强纤维素的改性效率，从而更大程度上调节纤维素材料表面电位，实现超高电荷密度。这两个方面的结合对于超高性能、低成本、绿色的TENG开发具有重要的意义。（2）木质纤维基TENG在复杂场景下的应用。一方面是功能性木质纤维材料在TENG中的应用可以赋予TENG不同的能力以适应复杂环境。另一方面凭借木质纤维的可加工性，可以设计出更多新的TENG器件结构以达到高效率收集不同形式的机械能的目的。这两个方面的结合对于功能化TENG能量收集的高效性和复杂环境的适应性具有重要的意义。（3）木质纤维对于绿色TENG能源生态体系的构建。一方面，当前的工作中木质纤维在TENG多以摩擦电材料、支撑材料、电极材料中的单独一种形式出现。在未来的研究中，可以合理地提升木质纤维在TENG中的材料比重，使其实现更低的成本和更具环保性。另一方面，由于TENG无法直接用于驱动电子设备，因此电源管理系统与TENG集合以实现稳定的功率输出。在这方面，使用木质纤维材料作为现代能源装置和系统中的功能组件也能大大促进绿色TENG能源生态体系的构建，例如木质素基超级电容器和电池等。这两个方面的结合可以很大程度上提升TENG的环保性能并降低TENG的制造成本，有助于TENG的推广和大面积应用。可以预期，在不久的将来木质纤维会对高性能，绿色环保，低成本的TENG及其能源生态体系的开发和商业化带来重大的影响，使我们的能源利用方式更加便捷高效。Wood-cellulose-fiber-based functional materials for triboelectric nanogenerators（Nano Energy, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105637）声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！