基于纤维素材料的摩擦纳米发电机研究进展

吉 喆,王志博,徐欣悦,许慧敏,王东兴,陈夫山

1.山东世纪阳光纸业集团有限公司,山东 潍坊 262400;2.青岛科技大学 海洋科学与生物工程学院,山东 青岛 266042

近年来,随着一系列柔性可穿戴电子器件产品的开发与应用,如何为器件提供绿色、安全、高效的能源成为亟待解决的关键问题。2012年王中林团队[1]首次报道了摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,简称TENG),利用摩擦起电及静电感应原理可以将机械能转化为电能。TENG作为一种新型收集机械能发电的装置,具有功率密度高、器械设计灵活、重量轻、体积小、制造成本低、选材广泛、可持续输出等显著优点,兼具能量收集和信号监测的双重功能,已经用于收集环境中的风[2]、水流[3]、波浪[4]、声音[5]等产生的机械能,以及用于监测人体运动[6]、呼吸[7]、心脏跳动[8]、脉搏跳动[9]所产生的信号。TENG主要由正极摩擦电材料、负极摩擦电材料、电极材料与基底材料4部分组成,其工作原理是电负性不同的正、负极摩擦电材料在机械能作用下发生接触分离,在摩擦起电与静电感应的耦合效应下产生感应电势差并对外放电,从而将机械能转化为电能[10],该装置颠覆了传统发电形式,为能源行业的发展提供了新思路。TENG的工作模式(图1)有垂直接触-分离式、滑动式、单电极式、独立层式4种[11]。

注: (a)垂直接触-分离模式;(b)水平滑动模式;(c)单电极模式;(d)独立层模式。

图1 摩擦纳米发电机的4种基本工作模式[11]

垂直接触-分离模式是TENG最常用的一种工作模式,其工作原理是在周期性外力的作用下,正极摩擦电材料和负极摩擦电材料在垂直方向上发生周期性的接触与分离,产生不断变化的电势差,驱动电子在正、负摩擦电材料之间流动,并在外部电路中产生电流,实现收集机械能发电。随着外力频率和大小的变化,TENG输出的电信号的频率和强弱会相应发生变化,使得TENG具有了信号监测的功能[11-12]。目前TENG的垂直接触-分离模式常用于收集手掌拍打、踩踏和声波等能量[13]。

水平滑动模式与垂直接触-分离模式类似,但正极摩擦电材料和负电摩擦材料是在水平方向上发生周期性的相对滑动而发电[14]。水平滑动式TENG包括平面滑动、圆盘滑动及圆柱滑动等滑动方式[15]。目前TENG的水平滑动模式常用于收集风能、水能[16],也用于收集平面、曲面运动所产生的各种形式的机械能。

采用单电极模式工作的TENG一端电极接地,当物体接触或离开摩擦电材料表面时,摩擦材料表面电场分布会发生变化,电子在摩擦电材料与大地之间进行转移,确保TENG的电势发生变化而对外发电[17]。单电极模式的TENG结构简单,可以自由移动,它的应用范围广泛,可以从吹风、下雨、轮胎转动等过程中收集机械能发电。

独立层式模式的TENG由一层摩擦电材料和两个由导线相连的电极材料组成。在独立层模式下,电极材料既作为摩擦电材料也作为导电电极[18]。目前,独立层式工作模式的TENG多用于收集人体行走、汽车运动所产生的机械能。

传统的TENG多采用银、铜、铝等金属与聚酰胺(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)等高聚物作为摩擦电材料[19-20],它们无法生物降解,难以回收循环利用,环境友好性差,不能满足TENG绿色发展的需求。纤维素作为地球上储量最为丰富的天然聚合物,是一种可降解再生、价格低廉、生物相容性好的天然高分子物质,它是由葡萄糖基单元以β-1,4-糖苷键连接而成的线性大分子,每个葡萄糖基单元上连有4个羟基,使得纤维素材料易失电子作为TENG的摩擦带正电材料[21-22]。此外,纤维素因含有大量羟基,可通过物理掺杂或化学改性提高纤维素的摩擦带电性能,也可以通过不同的方法加工制成膜、纸、气凝胶等多种结构材料,为TENG的构建及输出性能的优化提供了更多的设计途径。本文重点总结了纳米纤维素膜、纤维素纸、纤维素气凝胶作为摩擦电材料的TENG的研究进展与应用实例,并对纤维素基TENG的未来发展方向进行了展望。

1 纳米纤维素膜用作TENG摩擦电材料

采用物理、化学的方法可以将纤维素制备成纳米纤维素,根据纤维素来源和形态的不同,纳米纤维素分为纤维素纳米纤维(CNF)、纤维素纳米晶体(CNC)和细菌纤维素(BC)。通过真空过滤成形制备的纳米纤维素膜,具有纳米尺度的三维空间网络结构,该结构赋予膜材料优良的机械性能、柔韧性和耐折度,是TENG理想的摩擦电材料。

1.1 纤维素纳米纤丝(CNF)膜用作TENG摩擦电材料

CNF较大的长径比使其具有较高的机械强度、比表面积和网络结构,是一种优异的基底材料。将高载流子迁移率的纳米颗粒与CNF复合,可以增加CNF膜材料的内部电子转移速率,从而提高CNF-TENG的输出性能。Kim等[23]制备的AgNWs/CNF基TENG,是由两张相同的AgNWs/CNF复合膜垂直堆叠组成,由于复合膜独特的双层结构,AgNWs导电层可以同时作为电极和摩擦带电材料,CNF层作电介质材料。当两层膜接触时,底层的AgNWs表面带正电,而顶层的CNF表面带负电;当两层膜分离时,正电荷从底层AgNWs表面向顶层AgNWs表面流动产生电流,直至达到静电平衡后消失。同理,在接触方向上施加外力,可获得顶层电极到底层电极的反向电流。当外电阻为10 MΩ时,AgNWs/CNF基TENG峰值功率为693 mW/m2。Yao等[24]在CNF膜表面复合了导电氧化石墨烯(rGO),将CNF/rGO复合膜作为负极摩擦电层,与作为正极摩擦电层的FEP组装成TENG,当人行走经过所制备的TENG时,可将动能转化为电能,成功点亮35个LED灯。卢彦序[25]将多壁碳纳米管(MWCNT)复合在CNF膜表面,并在MWCNT-CNF复合膜上贴附聚丙烯腈-钛酸铅(PAN-PbTiO3)层,由此设计的多层CNF复合膜基TENG(图2),较CNF膜基TENG转移电荷提高90%,且输出更加稳定。表1总结了CNF复合膜用于制备TENG的研究实例。

图2 MWCNT-CNF与PAN-PbTiO3组成的具有多层结构的TENG结构示意图[25]

表1 CNF膜材料用作TENG的正极摩擦电材料

摩擦材料的表面电荷密度是决定TENG器件输出性能的关键因素。作为摩擦电材料时,天然纤维素的弱极化性能导致材料产生表面电荷的能力有限。因此利用CNF表面丰富的羟基,通过醚化、酯化、接枝共聚等化学反应引入吸电子或供电子官能团是提高TENG输出性能的一种有效策略。Yao等[36]将CNF甲基化和硝基化改性,将得到的甲基化CNF膜和硝化CNF膜分别作为TENG的正极和负极摩擦电材料,制备得到了具有稳定输出性能的TENG。硝基的引入极大增强了CNF的吸电子能力,在电荷转移过程中,硝化CNF膜的表面电荷密度可达基准材料FEP的71%,性能优异。硝化纤维素有望替代不可降解FEP,成为TENG常用的负极摩擦电材料。在CNF表面接枝PEI,并包覆Ag纳米颗粒后制备的多层复合膜,不仅提高了材料的供电子能力,而且表面的微纳米结构有助于提高器件的接触面积、表面粗糙度,进而改善材料摩擦发电响应[37]。将CNF多层复合膜作为正极摩擦电层,FEP作为负极摩擦电层,设计制备的齿轮状TENG,摩擦接触面积增加了约4倍,TENG器件输出性能大幅提升。Liu等[38]选用具有相同主链但不同末端官能团的硅烷偶联剂分别对CNF进行改性,并将CNF衍生膜用作TENG的正极与FEP负极摩擦电材料制备了TENG(如图3),研究表明:在CNF中引入供电子基团(如NH2—、SH—)会提高TENG的输出性能,引入吸电子基团(如CN—、CF2CF3—)则会降低TENG的输出性能。因此,在材料表面引入具有不同吸电子和供电子能力的官能团可以改变材料的表面电荷密度,通过调节官能团的数量和密度,可以更有针对性地调整电荷密度的范围,这为系统研究分子表面化学修饰以改善TENG器件输出性能提供了新的思路。表1总结了CNF改性膜用作摩擦起电材料制备TENG的研究实例。

图3 不同硅烷基团改性的CNFs-TENG示意图[38]

1.2 纤维素纳米晶体(CNC)膜用作TENG摩擦电材料

CNC膜材料具有高刚度、高表面积和良好的光学性能,也是良好的TENG摩擦电材料,但因其制备过程相对复杂,目前在TENG领域的应用研究相对较少。Peng等[39]将不同浓度的CNC异丙醇悬浊液与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合,在80 ℃下蒸发有机溶剂后,采用自旋涂布法制备了PDMS/CNC复合膜。将PDMS/CNC复合膜作为正极摩擦电层,铝(Al)作为负极摩擦电层进行组装,制备出了具有稳定输出功率的、可再生的TENG。当CNC的添加量为2.5%时,PDMS/CNC基TENG的输出性能较PDMS基TENG提高约4倍,这主要是由于CNC本身带正电荷,在PDMS/CNC复合膜中形成了外电场,当正负摩擦电层接触时,上层Al膜中的电子会更多的转移到PDMS/CNC复合膜中,从而提高了PDMS/CNC复合膜的表面电荷密度。Chen等[40]将ITO纳米颗粒附着在CNC膜表面制得CNC/ITO复合膜,ITO纳米颗粒的加入增加了材料表面粗糙度,进而提高了材料表面电荷密度,使得CNC/ITO-TENG具有优异的输出性能。

1.3 细菌纤维素(BC)膜用作TENG摩擦电材料

BC是由微生物发酵合成的多孔性网状纳米聚合物,具有较高的抗张强度和反射率、优异的弹性和尺寸稳定性、生物相容性等优点,可以潜在应用于电子传感器和柔性电子器件等领域。与CNF膜类似,BC膜的弱极化性能极大限制了材料产生表面电荷的能力。因此,作为摩擦起电材料时,一般需要给BC膜外加导电电极或改性制备导电复合膜。Kim等[41]在BC膜表面黏贴导电铜箔,并用聚丙烯封装后作为顶层电极,而覆有聚甲醛柔性薄膜的导电铜箔可以同时作为底层电极和摩擦起电材料,通过控制上层聚丙烯和下层聚甲醛的尺寸制备了峰值功率可达4.8 mW/m2的弧形TENG(图4a)。其工作原理是:在外力作用下,两个摩擦层发生接触,从而产生电荷相反的表面;当两个摩擦层分离时,会在两个电极之间产生电势差,有电子流通过外部电路,直到积累的电荷达到平衡状态。随后,当TENG再次受压使两个摩擦层接触时,则会产生极性相反的电势差,导致电子反向流动。Zhang等[42]在细菌BC膜中掺杂了碳纳米管(CNT)和原位聚合聚吡咯(PPy),得到一种具有良好导电性能的BC-TENG(图4b),该BC摩擦层在纤维素酶的作用下8 h即可完全降解。为提升BC-TENG的柔性和拉伸性,Hu等[43]采用编织工艺制备了BC/CNT/PPy复合膜,并设计制备出VOV和ISC分别为170 V和0.8 μA的柔性TENG(图4c),研究表明:用于制备BC/CNT/PPy复合膜的导电纤维具有449 MPa的超高拉伸强度,该BC摩擦层在纤维素酶的作用下60 h即可完全降解。此研究为开发为高强度、快速可降解的TENG开辟了新道路。

图4 (a)BC-TENG结构图示意图及工作示意图[41] ;(b)BC/CNT/PPy摩擦电材料的制备流程图及BC/CNT/PPy-TENG结构示意图[42] ;(c)采用编织工艺制备的BC/CNT/PPy-TENG结构示意[43]

2 纤维素纸基材料用作TENG摩擦电材料

纤维素纸表面带有正电荷,可以直接用作TENG正极摩擦电材料,但是纤维素纸基TENG通常需要在高工作频率下才能获得良好的输出性能,限制了纸基TENG的应用。通过物理或化学修饰提高纤维素的正电性摩擦性能,或通过纸基TENG的结构设计提高有效接触面积,均可以改善纸基TENG的输出性能。

2.1 纤维素纸用于制备TENG摩擦电材料

Yang等[44]利用纤维素滤纸(CFP)开发了一种绿色可回收的能量收集和人机交互系统,PVDF@CFP和Cu@CFP复合纸分别作为摩擦层和电极,组装成单电极结构的CFP -TENG。其工作原理是:当人体皮肤与PVDF@CFP表面接触时,由于PVDF较强的摩擦电负性,皮肤表面失去电子,转移到PVDF@CFP表面使其呈负电性。当皮肤与PVDF@CFP分离时,PVDF@CFP表面的负电荷会诱导Cu@CFP电极从地面吸引正电荷以达到静电平衡,从而产生输出电流信号。如果CFP -TENG远离皮肤,PVDF@CFP表面的负电荷会被Cu@CFP电极上的正电荷完全屏蔽,不再产生输出信号。而当PVDF@CFP与皮肤再次接近时,Cu@CFP电极上的正电荷下降,电子将从地面回流到Cu@CFP电极上,产生相反的电流信号。因此,在接触分离的周期性作用下,CFP -TENG完成了机械能向电能的转化与存储,可用于能量收集和人机交互。在纤维素纸上涂覆了电负性摩擦材料聚乙烯亚胺(PEI),可以大幅提升PEI复合纸的给电子能力(图5b),研究表明:当PEI负载量分别为7.5 mg/cm2和22.5 mg/cm2时,PEI-纸TENG的输出电压分别提高约4倍和6倍[45]。Parandeh等[46]分别将纤维素纸和PCL/GO作为正电和负电摩擦材料,并在背面喷射厚度约100 nm金薄层作为电极,组装得到了书籍状纸基TENG(图5c)。

图5 (a)Cu@CFP复合纸、PVDF@CFP复合纸和CFP-TENG制造流程图[44] ;(b)PEI-纸基TENG结构示意图[45];(c)书籍状纸基摩擦纳米发电机结构示意图[46]

在纸张表面负载金属氧化物颗粒不仅可以提高复合纸的摩擦起电性能,而且可以大幅提升纸张表面的粗糙度,增大正负摩擦电材料的有效接触面积,从而提高纸基TENG的性能。Lin等[47]在纸表面负载了ZnO后设计制备了ZnO@paper P-TENG(图6a),ZnO可以提高纸张表面粗糙度,提高P-TENG的输出性能,当ZnO@paper中ZnO的质量分数为16.3%时,P-TENG的输出性能最佳。在纸张表面负载厚度为1 μm的氧化铟锡(ITO)后,将ITO复合纸与PEI组装的TENG(图6b),具有较高且稳定的输出性能[48]。

图6 (a)ZnO@paper-TENG结构示意图[47] ;(b)ITO-纸TENG结构示意图[48]

纸张具有可书写性和可涂布性。Zhang等[49]利用铅笔在纸张表面书写了一层高导电石墨层,并采用单步砂纸压印工艺,在纸张表面压印上微/纳米结构,可以大幅增加电极间的有效接触面积,提高了TENG 的输出性能。Xia等[50]利用牛奶的强失电子性,首次提出了一种新型的牛奶纸基摩擦纳米发电机(MP-TENG),摩擦电对是由牛奶薄膜和聚四氟乙烯(PTFE)胶带组成。其工作原理为:当装置受到外力压缩时,基于接触摩擦起电效应电子会从顶层牛奶薄膜转移到底层电负性更强的PTFE;去除外力后,牛奶薄膜和PTFE分离,由于静电感应电子从底层负极转移到顶层正极以平衡电场,由此在两电极之间产生电势差。同理,当外力再次作用于MP-TENG时,会产生相反的电势差。因此,在外力的持续作用下MP-TENG会产生连续的电输出,可以用于微能源收集、牛奶浓度检测和人体运动状态智能识别等领域。表2总结了纤维素纸用作TENG正极摩擦电材料的研究实例。

表2 纤维素纸用作TENG正极摩擦电材料及纸基TENG结构设计

2.2 纸基TENG结构设计

TENG的输出性能不仅与材料种类有关,而且与器件的有效接触面积密切相关,有效接触面积越大,器件的性能会相应提高。利用纤维素纸张优异的机械强度、耐折性、可裁剪性,可以通过器件结构设计提高纸基TENG的有效接触面积,从而改善摩擦发电响应。Xia等[50]用纸和PTFE胶带作为摩擦电对,设计了一种新颖的堆叠式X形纸基TENG (XP-TENG)(图7a),它可以收集人行走过程中产生的机械能,成功点亮101个蓝色LED灯。在传统剪纸艺术的启发下,Guo等[62]基于纤维素纸开发出具有菱形结构的TENG(图7b),该器件拥有较高的输出性能。以上研究巧妙运用了纸张的可折性、可裁剪性,在相对较小的体积内得到了较大的有效接触面积,为纸基TENG输出性能的提升提供了简单可行的方案。表2总结了纸基TENG器件结构设计的研究实例。

图7 (a)外观呈现X型的纸基TENG的制备流程图[50];(b)菱形结构的纸基TENG结构图[62]

3 纤维素气凝胶用于制备TENG摩擦电层

纤维素基气凝胶是一种以纤维素及其衍生物为多孔骨架的超轻胶体,具有孔隙率高、密度低、比表面积大、良好的形变恢复能力等优点,是优良的TENG摩擦电材料。但是纤维素气凝胶制备工艺相对复杂,目前用于TENG摩擦电材料的研究较少。

Qian等[63]将CNF油墨和PDMS油墨分别打印在Ag/PET衬底上,形成3D图案的正摩擦层和负摩擦层,并将CNF气凝胶/Ag/PET层与PDMS/Ag/PET层组装成具有三明治状结构的AP-TENG(图8a)。当施加外力时,正负摩擦层相互接触并在表面产生相反电荷,CNF气凝胶的多孔结构、粗糙表面和巨大的内比表面积会导致额外电荷的产生,从而增加摩擦层之间的电势差;当摩擦层逐渐分离后,电极之间的电势下降,电子从负极转移到正极产生电流,摩擦电荷逐渐消失直到电荷平衡。当外力再次作用于AP-TENG时,电子会回流并产生反向电流。因此,基于摩擦起电和静电耦合作用,AP-TENG通过周期性外力作用产生交流电,实现了机械能向电能的转化,并成功点亮88个LED灯。为研究不同的物质对纤维素气凝胶摩擦起电性能的影响,Zhang等[64]通过冷冻干燥法制备了壳聚糖-纤维素II气凝胶和海藻酸-纤维素II气凝胶,并分别制备出了纤维素II气凝胶TENG(图8b),结果显示壳聚糖-纤维素II气凝胶TENG输出电压大大增加,而海藻酸-纤维素II气凝胶TENG输出电压大幅降低,这是由于壳聚糖大分子含有给电子基团而海藻酸含有吸电子基团导致的。

图8 (a)全打印CNF气凝胶TENG制备流程图[63];(b)纤维素II气凝胶TENG结构示意图、纤维素II气凝胶实物图和纤维素II气凝胶、壳聚糖-纤维素II气凝胶、海藻酸-纤维素II气凝胶的化学结构式[64]

4 纤维素基TENG应用前景

TENG的发展促进了电子器件向微型化、柔性化和轻质化的发展,使收集环境微小机械能成为了可能,对能源、电子、传感器等行业的转型升级具有重要意义。基于纤维素材料制备的TENG具有安全无毒、成本低廉、结构简单、绿色环保等优点,可同时具备能量收集和信号监测的双重功能,在能量收集、人机交互、医疗健康、空气净化等领域展现出广阔的应用前景(图9)。

图9 纤维素基TENG的应用领域[33,36,44-46,52,64]

4.1 能量收集

在日常生活中,由于受到器件的限制,很多机械能无法实现有效收集而造成能源浪费。纤维素基TENG是一种简单可靠的能量收集装置,为微能源收集提供了可能。Park等[65]采用大叶榆木制备了wood-TENG(图10a),基于wood-TENG开发的智能鞋垫,可以收集人走路产生的机械能并转化为电能,为带有GPS功能的鞋子成功供电。张月华等[66]利用CNF/rGO气凝胶薄膜,设计制备了一款将风能转化为电能的CNF基TENG风车(图10b),拓展了TENG作为能量收集装置的应用。

图10 (a)wood-TENG鞋垫的结构示意图[65];(b)CNF-TENG风车结构示意图[66]

4.2 人机交互

近年来,随着人工智能的发展,人机交互呈现出巨大的研究价值,传感器是人机交互环节中的关键部件。纤维素基TENG灵敏性极高,可以将微小的外部刺激转化为电流电压信号,这些信号通过计算机统计处理,又可以精确地对外部刺激做出响应,从而实现人机交互。Chen等[67]采用纤维素皱纹纸(CP)、硝酸纤维素微孔膜(NCM)制备了纸基TENG,并将其作为人机交互设备,实现了人机交互乐曲演奏(图11a)。Luo等[68]发明了一种耐用可靠的木质纤维TENG,并基于该器件设计制作了智能乒乓球台,该智能乒乓球台可以帮助运动员进行乒乓球落点的分布统计,也可以帮助裁判员进行边缘争议球的判断(图11b)。

图11 (a)CP-NCM TENG结构示意图与器件作为应力传感器实现人机交互演奏乐曲示意图[67] ;(b)木质纤维TENG的制备过程与应力传感智能乒乓球台示意图[68]

4.3 医疗健康

长期以来,电池驱动限制了医疗电子器件的发展,尤其限制了人体植入式医疗电子器件的开发。纤维素作为天然高分子材料,对人体无毒无害,且生物相容性良好,纤维素基TENG为人体植入式电子器件供能,将促进人体植入式电子器件向无害化、柔性化、轻质化的发展。Wang等[69]采用生物相容性较好的医用317L不锈钢板和乙基纤维素(EC)膜制备的TENG,可以为植入人体的医疗电子器件(植入式心脏起搏器、神经刺激器)供电(图12a)。刘国旭[70]采用聚左旋乳酸(PLLA)膜和EC膜设计制备了微型TENG(图12b),该器件可以为植入人体的医疗小型电子设备供能,辅助医学诊断与治疗,守护人体健康。

图12 (a)317L/EC-TENG制备流程图[69] ;(b)PLLA/EC-TENG制备流程图[70]

4.4 空气净化

空气中的微粒物质(PMx)是造成人类呼吸道疾病的重要推手,为了提高人们的生活质量,寻找低成本、绿色环保、可再生的空气清净方法十分必要。基于此,He等[27]通过构造多级纳米结构和利用TENG独特的发电模式,制备了具有去除PM2.5、抗菌和自供电监测人体呼吸的纤维素纤维基TENG(cf-TENG),摩擦电对由纤维素微纤丝CMFs/CNF/Ag多级纳米结构和镀Ag的FEP组成(图13a)。CMFs/CNF二维多级纳米结构作为正电摩擦材料的同时,可以捕获出入气流中的PM2.5,其表面的Ag纳米纤维膜也展现出优异的抗菌活性。将cf-TENG植入到设计的双通道呼吸系统中,在呼吸触发的外力作用下,两个介电材料接触产生电输出,可以辅助监测呼吸速率和强度。由于其理想的多级纳米结构和独特的自供电特性,cf-TENG系统对PM2.5的去除率高达98.83%。基于该器件开发的PM2.5过滤口罩,将为人体呼吸道健康保驾护航。Mo等[71]基于CNF-TENG设计了一种自驱动PMx清除系统,由径向活塞式TENG(RP-TENG)、单向气阀和纤维素纤维空气过滤器(CFAF)组成(图13b)。在周期性外力作用下,RP-TENG不仅可以产生电能输出,还可以利用活塞运动将被污染的空气抽送至CFAF中进行过滤。基于结构优化和运动数学模型的计算结果,制备的8单元RP-TENG在充电后,CFAF对PM2.5和PM10的清除效率分别高达83.78%和86.82%。将该自驱动PMx清除系统安装在具有转动机械能的物体上,可将浪费的机械能充分用于净化室外环境,拓宽了纤维素基TENG在空气净化领域的应用。

图13 (a)cf-TENG的结构示意图和PM2.5防护口罩示意图[27] ;(b) PMx吸附系统;(c)一个单位的TENG;(d) RP-TENG的工作原理[71]

5 总结与展望

近年来,纤维素材料以其可降解、可再生、易改性、易加工等优势,被广泛应用于环境友好型TENG的制备。一方面,纤维素膜、纤维素纸、纤维素气凝胶等材料具有不同的结构特征,可以直接用作TENG的摩擦起电材料;另一方面,通过物理和化学修饰可以提高纤维素材料对电荷的捕捉能力,实现了纤维素基TENG输出性能的提升。纤维素材料因其韧性强、可弯曲、可折叠、可裁剪等特性,使得纤维素基TENG在满足基本结构的前提下可以进行器件特殊结构设计,以适应不同的应用环境。通过摩擦电材料选择与优化、摩擦电材料内部与表面形貌修饰、器件结构性优化等手段,制备的新型纤维素基TENG的输出性能大幅提高,可与传统型TENG相媲美。但是,由于纤维素材料具有较强的吸湿性,如不进行疏水化处理,则无法应用在潮湿、多水的环境中,这极大限制了纤维素基TENG的应用。

未来基于纤维素材料的TENG可以在以下几个方面开展深入研究:(1)开发低成本、可再生、可降解的纤维素新材料,丰富纤维素基TENG摩擦电材料的种类;(2)开发纤维素基多功能材料,使纤维素基TENG在发电的同时,具有抗菌消炎、湿度检测、大气污染物吸收等功能,提高纤维素基TENG的使用价值;(3)针对不同应用环境对纤维素基TENG器件结构进行定制设计,拓展其应用范围;(4)制备纤维素基TENG所用的材料、仪器、设备等,在满足纤维素基TENG输出能力的前提下,要兼顾经济性、环保性;(5)充分发挥纤维素基TENG生物相容性好、对人体无毒无害的优点,开发可植入人体式TENG器件。