基于纤维素纳米晶异质结的多孔材料设计及其在自供能运动传感中的机电转换与储能性能提升

本研究针对纤维素基摩擦纳米发电机(TENG)需依赖非生物基负极介电层及电荷传输效率低的问题，通过表面氟化修饰纤维素纳米晶(CNCs)构建P-N异质结，开发出兼具高输出功率(354.2 mW/m2 )和储能性能(2.66 F/g)的多孔材料，其介电常数提升至3521.2，应变压阻灵敏度达3.67，为生物基自供能传感器设计提供了新策略。

　　

在可穿戴设备与绿色能源技术蓬勃发展的今天，纤维素基材料因其生物相容性、可降解性和天然丰度备受关注。然而，现有纤维素纳米晶(CNCs)基摩擦纳米发电机(TENG)面临两大瓶颈：一是必须搭配聚四氟乙烯等非生物基负极介电层，存在生物安全性隐患；二是CNCs粒子无序排列导致电荷传输效率低下，输出性能受限。更棘手的是，传统CNCs多孔材料还存在介电损耗高、储能能力弱的缺陷，严重制约其在自供能传感领域的应用。

为解决这些难题，西南大学的研究团队创新性地提出"异质结工程"策略，通过氟化修饰CNCs表面构建P-N异质结结构，成功开发出具有垂直接触-分离模式的TENG器件。相关成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。研究采用紫外可见光谱(UV-Vis)、原子力显微镜(AFM)等技术表征材料特性，通过二次定向冷冻干燥法制备层状多孔材料，并系统评估了其机电转换与储能性能。

材料设计与表征
通过1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷(FS)对CNCs表面氟化，形成氟化CNCs(FCNCs)。AFM显示FCNCs保留了CNCs的棒状结构，但表面电势显著降低至-18.6 mV（原始CNCs为-35.2 mV）。UV-Vis证实异质结使电子能隙降至3.87 eV，X射线光电子能谱(XPS)则检测到F1s特征峰（689.3 eV），证实氟的成功引入。

机电转换性能
由FCNCs与CNCs构成的P-N异质结TENG，在无额外负极介电层情况下实现354.2 mW/m²
的功率输出。机理研究表明，氟化处理使FCNCs成为电子受体，与CNCs形成内建电场，促进电荷分离。相比传统CNCs/PTFE结构，该设计使输出电压提升16.6倍。

储能与传感性能
以海藻酸钠(SA)为柔性基底、单壁碳纳米管(SWCNT)构建导电网络的多孔材料，展现出2.66 F/g的比电容。异质结结构使介电常数飙升至3521.2，同时介电损耗降低至0.023。材料还表现出3.67的高应变压阻灵敏度，可实时监测人体关节运动。

这项研究通过巧妙的"化学修饰-结构设计"协同策略，首次实现CNCs基材料在机电转换、能量存储与运动传感的多功能集成。其创新性体现在三方面：一是用生物基FCNCs替代传统合成高分子负极层；二是异质结设计同时优化了电荷传输与介电性能；三是多孔结构赋予材料轻质（密度0.08 g/m³
）与高孔隙率（94%）特性。该工作为开发新一代环境友好型自供能系统提供了重要参考，特别在医疗监测、智能穿戴等领域具有广阔应用前景。研究团队Yanrui Zou等人特别指出，这种异质结设计策略可扩展至其他多糖基材料体系，为生物质高值化利用开辟了新途径。