摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerators, TENGs）是一类通过接触起电和静电感应相结合，将环境中的机械能(如海浪、风、车辆移动、人类运动等) 转化为电能输出的装置。这些输出既可以作为电源，也可以用作传感信号。然而，迄今为止提出的许多TENG装置主要是由不可再生的合成聚合物制成的。近年来，木质生物质（woody biomass），一种丰富的可再生资源，成为了TENG环保化进程中很合适的一种原料选择。然而，许多已发表的基于木质生物质的TENG往往厚重、密实且不够灵活，因而更适合于地板、建筑等大规模应用。尽管已有研究致力于赋予木材样品足够的柔韧性以用于TENGs应用，但迄今为止，尚未有研究充分利用气凝胶（aerogel）的独特特性，如超低密度、轻质、高孔隙率和高比表面积。
为了解决这一系列问题，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校Yi-Cheng Wang教授团队联合威斯康星大学麦迪逊分校Xuejun Pan教授团队以溴化锂溶液为溶剂，通过溶解再生法，以杨木生物质（poplar woody biomass）为原料成功制备了用于多功能摩擦电装置的气凝胶。为了提高气凝胶的结构均匀性，采用了两种处理方法——在溶解前对原始杨木生物质进行球磨（ball milling）或在溶解后进一步进行超声波处理（ultrasonication）。这些处理改变了所得气凝胶的多孔结构和机械性能，使其摩擦电性能显著提高。该团队还探索了从气凝胶中去除大部分木质素的方法，结果显示脱除木质素的气凝胶摩擦电输出比原始（即未经其他处理）的木质生物质气凝胶高出约 5 倍。Woody Biomass-TENG (WB-TENG) 在生物机械运动（biomechanical motion）传感的应用也被研究和讨论。该研究以题为 “Fabricating and Engineering Woody-Biomass Aerogels for High-Performance Triboelectric Nanogenerators for Energy Harvesting and Biomechanical Monitoring” 的论文发表在最近一期《Advanced Functional Material》上。
木质生物质气凝胶的摩擦电性能的显著提高部分原因可分为物理层面和化学层面。物理的角度来说，均质化处理以及去木质素处理可以导致的气凝胶内部多孔结构孔径大小的变化。在化学上，因为木质素由于其芳香结构富含π电子而可以吸引电子。所以相比原始木质气凝胶，低木质素气凝胶与其他表面接触或摩擦时更加容易累积正电荷；当其与本身电负性强的polytetrafluoroethylene (PTFE)接触时，产生的电信号会大大增加。如图1a所示，木质生物质气凝胶是按照纤维素的溶解和再生法制成的 。简而言之 ，为了制造基本的（即“原始”）气凝胶，将脱乙酰基的磨碎木材分散并溶解在高温的溴化锂溶液中。将热混合物进行冷却再生，从而得到木质生物质生物质水凝胶。随后放入冷冻干燥机中干燥成气凝胶。为了探索改善气凝胶结构均匀性的潜在方法，添加了进一步的操作： 球磨（溶解步骤前）或超声波处理（溶解步骤后）。然后按照上述相同的方法将其加工成水凝胶，随后加工成气凝胶。如图1b所示 （I: 原始木质气凝胶样品，II &III：均质化处理样品，IV：低木质素样品），从SEM照片可以看出来受过均质化处理后的样品有着明显的孔径大小的改变，其中低木质素样品的孔径大小是最大的。该研究也评估了WB-TENGs的接触-分离工作模式下电信号的输出。在WB-TENGs的电信号输出表现上，经过均质化处理过的木质气凝胶样品的电压、电流、电荷量有着相应的提升。低木质素气凝胶在所有三个输出类别中表现出的摩擦电性能明显优于三种高木质素气凝胶。其中在50 N的压力下，低木质素气凝胶TENG的输出达到了Voc ≈102 V; Isc ≈1.38 µA; and Qsc ≈41.8 nC，其中Voc相较原始木质气凝胶提高了近5倍。（图2）装置示意图，TENG的机制和不同处理后的木质气凝胶的电信号输出。该研究也探索了由低木质素气凝胶制成的WB-TENGs的潜在应用。比如机械能收集的能力，包括其点亮LED灯、为电容器充电以及为商用电子设备供电 （图3）。因为WB-TENG特殊的对力十分敏感的特性，让其成为穿戴生物动能传感器成为可能。该研究设计了相应的设备并测试了其作为呼吸，关节活动，以及步态传感器的表现。不同的呼吸频率和呼吸深浅、关节活动角度、和不同的步态（走、跑、跳）会施加给WB-TENGs不同的外力导致电信号的区别。这种功能在人体生物力学监测与物理治疗中具有重要意义。可以实时记录和分析患者的运动数据，如关节活动范围、步态、姿态和运动速度等。这对于康复治疗中的进展评估极为重要，能够帮助医生和理疗师准确了解患者的康复状况，并据此调整治疗方案。
（图4）WB-TENG 多种人体运动状态的能量采集与健康监测总结：该研究开发了一种新型杨木生物质气凝胶，用于制造高效多功能摩擦电装置，通过均质化处理和去木质素处理显著提高了其结构均匀性和摩擦电性能。并使其在作为可穿戴生物动能传感器方面具备可能性，能够监测并区分不同的呼吸模式、关节活动及步态变化，未来该研究有潜力为物理治疗提供实时、精确的运动数据分析。参考文献:
Li, L., Wang, R., Fu, Y., Jin, Z., Chen, J., Du, H., Pan, X., Wang, Y.-C. Fabricating and Engineering Woody-Biomass Aerogels for High-Performance Triboelectric Nanogenerators for Energy Harvesting and Biomechanical Monitoring, Advanced Functional Materials (2024) 2412324.
https://doi.org/10.1002/adfm.202412324.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！
