本网讯（材料科学与工程学院 周乾坤）基于摩擦纳米发电机（TENG）的自供电传感器的快速发展极大的促进了人们对于野外环境以及无人区的探索。然而，由于无人区环境的特殊性与自供电传感器的低成本，这些传感器在正常工作一段时间后将会被遗弃在野外，严重影响了当地的生态环境。为了解决生态污染，研究人员提出了纤维素基摩擦纳米发电机（C-TENG）。但是，C-TENG由于受到纤维素电负性较低的限制，输出性能有限，尤其是在高湿度环境中，其输出性能、输出稳定性均显著下降，器件无法正常工作。另外，C-TENG 还存在制作工艺复杂、功能单一等缺点。
针对上述问题，太阳成集团tyc234cc王佩红教授团队与台湾中兴大学赖盈至教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所董凯研究员合作，首次制备了一种基于纤维素-碳纳米管气凝胶（CCA）的摩擦纳米发电机（CCA-TENG）。CCA具有显著的生物可降解性、高导电性、高介电常数以及良好的防潮性能，并且它是通过一步法工艺制备而成。碳纳米管的加入，使得CCA-TENG的电输出性能显著提升，在外界负载阻值为10 MΩ时具有最大功率密度，达1237mW∙m-2。由于再生纤维素良好的致密性，CCA-TENG在99%相对湿度的环境下依然能保持较高的输出性能。此外，随着三维导电网络的引入，CCA可以同时作为摩擦层和电极，这不仅简化了TENG的结构，同时有效地减少了金属电极的使用，有利于降低自供电传感器的回收成本，从而缓解环境污染。更重要的是，CCA-TENG可以通过收集机械能驱动商业电子设备，在多通道压力传感、智能跳舞垫和人机交互界面方面具有潜在的应用价值和适应性。这项工作为开发导电纤维素、可降解电子设备和自供电传感器提供了新的思路。
图1：纤维素碳纳米管气凝胶的制备与表征。（a） CCA的制备工艺示意图。（b） CCA的超轻特性。（c）量化常见摩擦材料的密度。（d） 1200g载荷下CCA依然保证原状。（e-f）不同形状的CCA照片及其表面SEM图像。
图2：基于CCA-TENG的多通道人机交互传感及其应用。（a）多通道传感器的示意图，包括CCA-TENG、数据采集和LabVIEW。（b）基于单电极模式的All-in-One CCA-TENG。当手指触摸传感器单元时，传感器阵列和灯泡（c）以及计数器（d）的图像。（e）自供电跳舞垫示意图和方向对应的装置示意图。（f）当调节器移动到相应位置时，每个通道的电压信号。
相关成果以“Biodegradable, conductive, moisture-proof, and dielectric enhanced cellulose-based triboelectric nanogenerator for self-powered human-machine interface sensing”为题发表在材料与能源领域著名期刊《Nano Energy》上。太阳成集团tyc234cc为论文第一单位，材料科学与工程学院2020级硕士研究生王子洵为论文第一作者，王佩红教授、台湾中兴大学赖盈至教授和北京纳米能源与系统研究所董凯研究员为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省杰出青年科学基金等项目的支持。