王双飞院士团队AFM：Janus非对称纤维素摩擦电材料

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-31 07:23

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可穿戴电子设备在非侵入性实时健康监测领域展现出巨大潜力，其中摩擦纳米发电机（TENG）因具备自供电传感能力而备受关注。然而，TENG在实际应用中面临输出功率不足和材料耐用性受限等挑战。目前研究方法多以牺牲材料的力学性能为代价，且长期运行中的热积累会导致性能劣化。人类皮肤中结构与功能的区域化分布特征，特别是其Janus非对称结构设计，为解决上述问题提供了新思路。通过在摩擦电材料中构建具有纳米材料梯度分布的Janus结构，可以同时实现电学性能、机械性能和导热能力的协同优化。这种仿生结构设计为开发新一代高性能可穿戴传感设备提供了重要方向。

近日，王双飞院士团队提出一种梯度纳米掺杂策略，用于开发具有仿生有序Janus非对称结构的纤维素摩擦电材料。该策略将内部成分和结构互补优势整合以满足自供电传感材料的复杂要求。得益于此，摩擦电材料获得了优异的机械性能（承受超20080倍自重的拉力）与导热能力，基于此种材料的自供电器件实现了高的电输出功率（2.37 W m-2）。据此设计的可穿戴自供电无线传感系统表现出优异的灵敏度（27.3 kPa-1）及持续性能保真性（15000次）。这项成果以题为“Janus Asymmetric Cellulosic Triboelectric Materials Enabled by Gradient Nano-Doping Strategy”发表在了《Advanced Functional Materials》上。2021级博士研究生王金龙为本研究第一作者，聂双喜教授为通讯作者，刘艳华、韦芷婷、刘涛、李奕承、何碧莹、罗斌、蔡晨晨、张松、迟明超、史长波等同学参与研究。

1.Janus非对称纤维素摩擦电材料的设计及性能

人体皮肤呈现出独特的非对称层状Janus结构，从上表皮到真皮厚度和密度呈梯度分布，各类刺激感受器在其中执行各自传感功能。受这种结构启发，设计了Janus非对称结构的纤维素摩擦电材料。选择性将不同含量的六方氮化硼纳米片（h-BNNS）分散到纤维素纳米纤维中，组装为多层不同h-BNNS浓度的Janus材料。基于梯度掺杂策略实现的优异的传热能力、机械性能及输出性能，进一步构建了可穿戴的摩擦电传感器，通过实时传输摩擦电信号至传感模块处理数据，无线移动终端接收信号，展示了其在便捷式实时运动状态监测的巨大潜力。

图1. 非对称纤维素摩擦电材料的设计策略

2.Janus非对称纤维素摩擦电材料的制备与表征

经过液相超声波空化效应及高速剪切处理，块状h-BN被打破剥离为纳米片。将不同质量的h-BNNS与纤维素悬浮液充分混合，逐次将混合溶液通过水流诱导辅助真空方法组装，热压获得具有Janus结构的摩擦电材料。摩擦电材料显示出阶梯状结构特征，低浓度区域呈现纤维交织网络，随着h-BNNS增加，纤维与BNNS形成浓度梯度的层状结构。通过小角X射线散射（SAXS）、X射线衍射图谱（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、Raman光谱与X射线光电子能谱（XPS）研究了Janus非对称材料制备过程中的结构演变，表明Janus结构材料的成功制备。

图2. Janus结构纤维素摩擦电材料的制备过程与表征

3.Janus非对称纤维素摩擦电材料的性能

多层结构均表现出增强的拉伸强度，经过1000次弯曲循环后，Janus材料的拉伸强度仅略有下降。Janus摩擦电材料可以折叠成多种形状，在折叠后并未产生不可恢复的破坏性折痕，展开后保持了宏观结构的完整性，表明具有优异的柔韧性。与已报道文献相比，拉伸强度与韧性性能较为突出。这种增强的机械强度可能归因于刚性填料与柔性纤维结合的Janus结构的有效应力分布，低h-BNNS含量层由于其高杨氏模量而承受更多的应力，缓解了高h-BNNS含量层的应力集中，从而有助于裂纹的引发和扩展。由于h-BNNS本征的优异导热能力及两者结合的高密度氢键相互作用，Janus摩擦电材料具有优异的热性能。

图3. Janus纤维素摩擦电材料的性能

4. Janus非对称结构对材料摩擦电性能的影响

Janus材料作为正摩擦层，氟化乙烯丙烯共聚物为负摩擦层，通过接触分离，表面电势变化，产生周期性电信号。当添加总含量为40%，多层结构为5层时，输出性能最高。这可能归因于Janus结构内部存在较大的梯度电场，更多的电荷移动到与电极接触的表面，从而提高电输出性能。Janus材料基TENG在5 s即可将0.22 μF电容充至1.5 V，并且具有优异的灵敏度。自供电与传感特性为可穿戴传感器的构建提供了优势。

图4. Janus纤维素材料的摩擦电性能

5．基于Janus纤维素材料的可穿戴运动监测传感器

实时持续地运动监测和数据分析可以有效了解和改善运动者的健康状况，其中可穿戴的传感器是实现运动监测不可或缺的一环。将摩擦电传感器贴于人体手指与手肘位置，弯曲角度与运动速率产生的电信号，峰值模式和数值特性出现差异，实现了传感器的智能化、柔性可穿戴化发展。将传感器与无线传感模块连接，接收的信号通过蓝牙实时传送到手机，实现了运动状态的便携式感知。在运动中的非线性动态，可能帮助预测运动适应与疲劳。

图5. 可穿戴摩擦电传感器用于实时运动监测

总之，这项工作通过梯度纳米掺杂策略开发了一种Janus结构的纤维素摩擦电材料。掺杂的纳米片的本征导热性与纤维间密集氢键网络使得Janus结构材料具有传热能力与高机械性能。更重要的是，Janus结构形成的梯度电场允许电荷快速传输，与均匀掺杂材料相比，摩擦电性能提高了355%。此外，这种结构设计保证了TENG的15000次循环稳定性。进一步利用该材料开发了可穿戴的自供电无线传感器，用于人体个性化运动的实时监测。这项工作预计为自供电传感材料的开发提供新的选择，并有望推动高性能与稳定的柔性可穿戴传感器的实际应用。

全文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202424185

来源：高分子科学前沿

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