基于双界面极化效应的纤维素基摩擦纳米发电机性能提升研究

为解决纤维素基摩擦纳米发电机(TENGs)因近电中性导致的输出性能受限问题，研究人员通过功能化修饰纤维素纳米纤维(CNF)并构建双层介电结构，利用磺酸基团提升深陷阱密度，结合Ecoflex/石墨烯介电差异诱导双界面极化效应，最终获得电荷密度高达125 μC/m2的突破性成果，为可穿戴电子设备提供了高性能生物基解决方案。

　　

随着全球可穿戴电子设备需求的激增，开发环境友好型能源转换材料成为研究热点。纤维素作为地球上最丰富的天然高分子，因其可降解性和机械强度被视为理想候选材料。然而，纤维素分子结构中饱和C-C/C-O键主导的近电中性特性，导致其作为摩擦电材料时存在电荷捕获能力弱、浅陷阱占比高等根本性缺陷，严重制约了纤维素基摩擦纳米发电机(TENGs)的输出性能。

针对这一挑战，江苏大学食品与生物工程学院（Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology）的研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表创新性研究。该工作通过化学修饰纤维素纳米纤维(CNF)表面基团，结合双层介电结构设计，首次实现了双界面极化效应驱动的电荷密度突破。研究人员采用TEMPO氧化、磷酸化、磺酸化和季铵化四种功能化策略调控CNF表面特性，通过开尔文探针力显微镜(KPFM)和表面电位测试筛选最优修饰方案；进而构建纤维素/Ecoflex-石墨烯双层结构，利用介电常数差异诱导空间电荷积累，通过阻抗分析仪和有限元模拟验证界面极化机制。

Results and discussion部分揭示：磺酸化CNF(SCNF)因对称分布的静电势形成深陷阱，使深陷阱密度提升一个数量级，表面电位增加近200%；双层结构中Ecoflex-石墨烯界面与功能化纤维素-EG界面产生的协同极化效应，使电荷密度达125 μC/m²，超越商用氟化乙烯丙烯(FEP)。Conclusion强调该工作不仅建立了"功能化修饰-界面工程"协同优化范式，更通过呼吸监测和运动传感实验验证了其在可穿戴设备中的实用价值。

关键技术包括：(1) CNF的TEMPO氧化/磷酸化/磺酸化/季铵化修饰；(2) 双层介电结构真空辅助组装；(3) 表面电位与陷阱密度表征；(4) 界面极化效应的有限元模拟；(5) 基于人体运动的性能验证。研究团队通过系统优化证明：磺酸基团修饰使电荷衰减率降低67%，而双界面设计使等效介电常数提升3.2倍。这项研究为天然高分子基高性能能量收集器件开发提供了新思路，其可扩展的制备工艺有望推动生物基电子材料的产业化进程。