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廣西大學王雙飛院士、劉新亮副教授團隊 Nano Energy：羥基配位效應構筑防潮抗菌纖維素摩擦電材料

2024-03-14 來源：高分子科技

纖維素是地球上儲量最大的環境友好、可生物降解天然有機高分子材料之一，是人類取之不盡用之不竭的寶貴可再生資源。因其良好的介電性能和高的機械性能，在替代石油基聚合物摩擦電材料方面被廣泛研究。然而，纖維素固有的豐富氫鍵網絡限制了其極性和供電子能力，富含羥基的吸濕性導致的電荷耗散也限制了其作為摩擦電材料的應用。如何調控纖維素介電性能是纖維素摩擦電領域的重大挑戰之一。

近期，廣西大學纖維素材料介電性能劉新亮團隊采用了一種更方便、更經濟、更環保的 "支架手術 "策略（圖1），實現了纖維素羥基與Cu（II）配位，調控了纖維素分子氫鍵網絡（圖2），構建了新的纖維素偶極子，提高了其介電常數，從而實現纖維素分子空間電荷的調控。Cu（II）與纖維素羥基使其具備了疏水、抗菌的性能（圖3），提高了其在高濕度環境下的摩擦起電穩定性（圖4），為在高濕度環境中纖維素摩擦納米電傳感器的應用提供了的新思路（圖5）。該項研究利用Cu（II）對纖維素結構中的羥基配位，巧妙地限制了形成纖維素偶極矩的羥基自由度和空間電荷分布，為利用調控纖維素介電性能提高了新的策略。相關工作以“Anti-moisture, anti-bacterial cellulosic triboelectric materials enabled by hydroxyl coordination effect”發表在《Nano Energy》。論文的第一作者為廣西大學2021級碩士生張品樂，通訊作者為劉新亮副教授。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖1．CNF-Cu (II)摩擦電薄膜的制備與設計

圖 2. Cu (II) 插入對纖維素氫鍵結構的影響

圖3.羥基配位作用對其介電性能以及功能化的影響

圖 4 .CNF-Cu（II）適應高濕度環境輸出性能

圖 5 CS-TENG 的無線傳感應用

該工作是團隊近期在纖維素結構調控與其構效關系研究的最新進展之一。纖維素微結構與其性能間有十分密切的關系，構建特殊的微結構以獲得優異的性能是纖維素材料研究的熱點之一。團隊系統研究了纖維素TEMPO氧化降解動力學和評估模型(Cellulose, (2017). 24, 6: 2415-2425)，采用自下而上的策略，研究了纖維素阻隔材料組裝的界面構筑(Progress in Organic Coatings (2020) 149 105907)，系統研究了納米纖維素在流場中的運動行為，揭示了流場對納米纖維的取向機制(Cellulose (2021) 28, 7995–8008.)，制備了一系列拉伸強度超過鋁、鐵等金屬的高強度純纖維素纖維材料(Industrial Crops and Products (2022), 178, 114599.;)。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109472

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（責任編輯：xu）

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