综述：基于木材的摩擦电纳米发电机：从结构设计到性能优化及应用

《Materials Letters》：Wood-based triboelectric nanogenerators: From structural design to performance optimization and applications

基于木材的多级孔结构和表面化学特性，摩擦纳米发电机（WB-TENG）通过优化纳米复合材料整合、表面工程和模块化设计，显著提升了能量转换效率与稳定性。研究系统综述了木材微观结构（纤维素/木质素复合体系）与宏观各向异性对电荷积累的影响机制，并探讨了环境适应性改进策略。WB-TENG在物联网设备、自供电传感器和绿色电子领域展现出广阔应用前景，未来需突破规模化制备、环境敏感性和电荷传输机制研究瓶颈。

　　木基摩擦纳米发电机（Wood-Based Triboelectric Nanogenerators, WB-TENGs）作为一种可持续的能量收集技术，近年来受到了广泛关注。其核心原理在于利用木材的多级孔隙结构、可再生性以及可调控的表面特性，将机械能转化为电能。木材作为一种天然的生物基材料，具有独特的多尺度结构，包括宏观上的年轮、导管和纤维，以及微观上的细胞壁、次生壁和中间层等。这些结构特性不仅赋予木材优异的机械性能，也使其在摩擦发电过程中展现出良好的性能表现。然而，木材本身具有弱极性、高吸湿性等特点，这使得其在自然状态下表现出较弱的摩擦电效应，从而限制了其直接用于能量收集的可行性。

为了克服这一限制，研究人员通过多种方法对木材进行了改性处理，以提升其摩擦电性能。这些方法包括材料改性、表面工程和结构设计等。其中，纳米纤维素和纳米木质素因其独特的化学结构和物理特性，被广泛应用于WB-TENG的优化中。纳米纤维素具有高比表面积和丰富的表面活性基团，能够增强电荷转移效率，提高电荷密度。而纳米木质素则因其芳香结构和极性基团，能够有效引入深层电荷陷阱，提升电荷存储能力。此外，通过引入导电材料如石墨烯或MXene，可以构建快速的电荷传输通道，但填充物的均匀分散对于界面稳定性至关重要。通过激光蚀刻或机械加工形成的微纳结构能够显著增加接触面积，提升电荷积累能力与电荷密度，从而改善输出性能。利用木材的各向异性特性设计的定向能量收集装置，能够实现电荷沿纤维方向的定向迁移，但其加工精度要求极高。

WB-TENG的性能受到多种因素的影响，包括表面电荷密度、环境湿度和温度等。表面电荷密度是决定能量转换效率的关键参数，其高低直接影响WB-TENG的输出性能和应用可行性。研究表明，表面电荷密度的增加可以显著提升设备的峰值功率密度。然而，木材内部的化学成分分布和多级孔隙结构导致其表面电荷分布存在显著的空间差异，这种不均匀性容易引发局部电场集中和电荷再结合，从而导致能量损失。因此，实现高密度和均匀分布的表面电荷成为突破WB-TENG性能瓶颈的核心挑战。

环境因素，尤其是湿度和温度，对WB-TENG的稳定性具有重要影响。木材的吸湿性使其在高湿度环境下容易发生电荷泄漏，影响其性能表现。此外，温度变化会改变木材中各组分的分子运动状态，进而影响电荷的稳定性。例如，当温度高于木材的玻璃化转变温度时，半纤维素段的运动增强，为电荷再结合提供了通道，降低了电荷激活能。这种温度-湿度耦合效应会导致木材在白天和夜晚之间产生温度差异，从而引发木材的反复膨胀与收缩，可能造成微结构疲劳或界面剥离，影响设备的机械耐用性和电能输出的一致性。

为了提升WB-TENG的性能，研究人员开发了多种优化策略。其中包括纳米复合材料的引入、化学成分的重组、激光蚀刻技术、氟化处理、夹层结构设计以及系统集成等。例如，通过引入银纳米颗粒，可以增强木材的电荷转移能力，提高其能量转换效率。此外，MXene材料因其独特的层状结构和丰富的表面官能团，被用于制造多功能涂层，从而提升木材的界面极化能力。在化学成分重组方面，通过酸碱处理或等离子体处理，可以破坏木材中的氢键网络，引入强电负性基团，如羧基、羟基和氨基，从而提升木材在摩擦过程中对电荷的捕获和稳定能力。

在结构设计方面，夹层结构和功能梯度层设计被广泛应用。这种设计能够有效缓解层间应力不匹配，抑制界面剥离，并通过材料成分沿厚度方向的变化来提高电荷利用率。例如，受折纸启发的CM-CNF/PFA TENG装置，由五层折叠结构组成，可以在10 N的力作用下，以2 Hz的频率和10 MΩ的负载电阻实现最高输出功率2000 μW。此外，通过构建独特的三维多孔网络，研究人员实现了高效的电荷收集和传输，从而提升了WB-TENG的整体性能。

在系统集成方面，WB-TENG的模块化设计使得多个TENG单元可以灵活地串联或并联，以满足不同应用场景下的电压或电流需求。例如，通过集成六组弹簧辅助多层TENG，可以实现80 μA、250 V和8.5 mW的输出功率。更先进的系统还包括智能能量管理模块，使WB-TENG能够动态适应负载变化，并实现能量的高效调节。这种集成方式为WB-TENG在物联网和自供电传感系统中的应用奠定了基础。

尽管WB-TENG在性能优化和实际应用方面取得了显著进展，但其仍面临一些挑战。首先，WB-TENG的性能对环境湿度和温度极为敏感，高湿度会加速电荷的消散，而温度波动则会影响材料的变形和电荷保留能力，导致设备出现膨胀和电荷泄漏等问题。其次，木材的天然孔隙性和各向异性使得其输出性能存在波动，限制了大规模生产和设备一致性控制。此外，目前对木材内部电荷传输机制的理解仍不够深入，缺乏对纤维素界面行为的系统研究。最后，实现商业化应用的关键在于提升WB-TENG的输出功率和长期稳定性，使其能够与传统储能设备如电池相媲美。

未来，WB-TENG的研究将更加注重高性能材料的开发、结构-功能一体化设计、增强环境适应性和系统集成应用。在材料层面，研究将聚焦于天然木材界面的功能化和多尺度复合改性，通过引入导电纳米材料和活性功能基团，实现木材表面电荷密度和电荷保留能力的协同提升。同时，利用分子层沉积和等离子体处理等高精度技术，构建具有高比表面积和均匀微结构的材料，以突破当前性能瓶颈。在结构设计方面，未来的发展方向是向多功能协作和智能响应集成演进，结合柔性电子、压力传感器、湿度控制等多维响应模块，开发具备集成能量收集和传感功能的智能WB-TENG设备。受仿生结构（如叶脉和蜂窝网络）启发，并利用3D打印技术，构建可调节的界面接触结构，进一步增强设备的稳定性和使用寿命。

在环境适应性方面，未来的研究将加强木材在极端温度和湿度条件下的结构稳定性、电荷保留能力和抗老化性能。开发具备防水、防霉和防裂功能的多功能木材基材料，以满足WB-TENG在户外环境和可穿戴系统中的长期运行需求。此外，随着低功耗物联网（IoT）、环境智能监测和绿色建筑能源系统的不断发展，WB-TENG将逐步向系统级集成和模块化应用方向演进。通过与储能单元结合，构建自供电平台，并整合无线传输和边缘计算技术，实现高度适应性的分布式绿色能源网络。

为了进一步提升WB-TENG的性能和应用潜力，未来还应开发具有疏水性和防潮性的涂层，以防止水分分子的吸附；优化材料的交联结构，提高其热稳定性；集成温度和湿度自补偿电路，实现动态环境适应。同时，应探索仿生结构，增强设备在复杂环境中的鲁棒性，从而推动其在户外可穿戴设备等领域的实际应用。随着界面工程和结构优化技术的不断突破，WB-TENG有望在柔性电子、智能家居和智能农业等领域开辟独特的商业路径，成为传统电力系统的重要补充。

总之，WB-TENG作为一种新兴的绿色能源技术，凭借木材的可持续性和环境友好性，展现出广阔的应用前景。通过材料改性、结构优化和系统集成等多方面的努力，WB-TENG不仅能够提升其性能表现，还能够满足未来智能系统对可持续能源的需求。未来的研究将更加注重跨学科合作，推动WB-TENG在多个领域实现更广泛的应用，为构建绿色、低碳的能源体系提供新的解决方案。