Research综述：基于生物聚合物纳米纤维的纳米发电机研究进展

纳米发电机是美国佐治亚理工学院王中林院士团队最早提出的通过收集环境中的微机械能转化为电能的供电装置。与其他发电装置相比，纳米发电机具有一些明显优势，如：独特的微型化、可持续供电、不依赖外部能源、灵活的结构设计和组装、多样的材料选择等。随着全球对纳米发电机领域研究兴趣的快速增长，纳米发电机的材料选择和制造技术受到了广泛关注。生物聚合物纳米纤维作为由树木、竹子、螃蟹、虾、蜘蛛和蚕等生物合成的天然聚合物纳米材料，继承了生物材料的许多优点，如来源丰富、优越的力学性能、生物相容性、生物降解性、可再生性等，同时还展现出独特的纳米结构和性质，已被用来开发多种不同类型的纳米发电机（图1）。

图1  生物聚合物纳米纤维的制备、块体材料构筑与纳米发电机开发

首先，文章介绍了从不同生物原料制造聚合物纳米纤维的有效策略，以及各种生物聚合物纳米纤维的结构和特性。多糖和蛋白质纳米纤维是地球上最主要的两种生物聚合物纳米纤维，具体包括纤维素纳米纤维、甲壳素纳米纤维、丝纳米纤维、胶原纳米纤维和明胶纳米纤维。生物聚合物纳米纤维的制备方法主要包括：生物材料纳米解纤、从小分子中生物合成和静电纺丝。随后，文章重点介绍了使用不同生物聚合物纳米纤维作为基本构筑单元开发纳米发电机的研究进展。生物聚合物纳米纤维可以通过直接利用/化学改性/复合活性单元等方法来制备薄膜、纳米纸、气凝胶、泡沫等，用于纳米发电机开发；通过设计使块体材料具有优化的孔尺寸、孔结构、粗糙度、纳米纤维有序排列或堆叠、复杂结构等，以进一步优化并提升纳米发电机的性能和功能。近年来，生物聚合物纳米纤维除了被用于研发摩擦纳米发电机和压电纳米发电机外，也被逐步应用在利用湿气或渗透能发电的发电机领域。

生物聚合物纳米纤维的开发和利用在纳米发电机领域具有很大的潜力，但进一步优化纳米发电机的性能和功能仍面临着许多挑战。如何利用更有效的方法开发不同种类的生物聚合物纳米纤维，如何对生物聚合物纳米纤维进行化学改性引入更多类型的活性基团，如何制造更多类型生物聚合物纳米纤维衍生块体材料用于各种类型的纳米发电机开发等，仍有待于后续深入研究。

杨亚，国家级青年人才计划入选者，中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师，微纳能源与传感实验室负责人。在微纳能源与传感研究方面，取得了具有国际重要影响力的原创性和开创性研究成果。以构建高性能多效应耦合纳米发电机和高精度自供电传感器阵列为目标，从半导体纳米材料的设计和可控制备出发，探索力-热-光耦合效应对纳米发电机的调制机理，在新型耦合纳米发电机的设计和集成、基于纳米发电机的自驱动传感器、柔性大规模传感阵列等领域取得了重要进展。在国际SCI杂志Science Advances、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等杂志上发表学术论文190余篇。

陈文帅，东北林业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者、黑龙江省青年五四奖章获得者。入选中国科协青年人才托举工程项目、国家林业和草原局林草科技创新青年拔尖人才、龙江学者青年学者。主要从事木材物理学研究，在林木生物质纤维素纳米材料的机械法制备、自聚集组装及其衍生材料在环境、能源等相关领域应用方面做出一系列创新性研究工作。在Advanced Materials、Chemical Society Reviews、Nano Energy等学术期刊上发表论文60余篇。