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竹子在抵抗极端恶劣环境后还能发电？在人们传统的观念中，竹子作为一种具有特殊功能梯度并且使用广泛的天然复合材料，一直在许多领域都发挥着至关重要的作用。天然竹材具有在多个尺度上组装不同层次结构的先天能力，不同的层次结构赋予了竹材宏观上优越的性能。这些层次结构的构建，离不开其内部纳米级结构单元（如纤维素与木质素）的贡献，而纤维素与木质素之间“互利共赢”的模式又共同促进了竹材优越的宏观性能。传统的结构功能材料往往来自不可持续的石化产品，难以调控的结构，使其在极地探索、航空航天以及其它恶劣条件下，存在高温易分解、低温脆性甚至材料脱复合等问题。如何利用大自然在材料结构与功能之间的巧妙设计，科研人员为此付出了巨大的努力。
近日，广西大学聂双喜教授课题组采用绿色温和的“三步法”策略，构建了与天然竹材结构极为相似的分层多孔结构纤维素基摩擦电材料。具体来讲，该策略受天然竹材特殊结构的启发，通过温和的酸水解体系将天然竹材中的木素与半纤维素部分脱除并辅以冷冻干燥，然后通过液相变压法浸渍苯胺单体，随后向体系内加入过硫酸铵，以促成苯胺单体在纤维素支架内自上而下的原位聚合。受益于分层多孔纤维素基摩擦电材料的特殊结构，摩擦电荷不仅存在于接触面上，还分布在结构网络的表面上，在接触起电与静电感应效应的耦合下，更多感应电荷的产生同样提高了其电性能的输出。相较于普通薄膜材料，分层多孔纤维素摩擦电材料在面对复杂的形貌和恶劣的工作环境时，得益于水解诱导纤维表面所产生的特殊结构，使其在高温（200℃）、低温（-196℃）和快速热循环冲击（ΔT=396℃）后，仍然能保持85%的摩擦电性能并满足丰富多样的自供电传感类型。这项成果以题为“Hierarchical Porous Cellulosic Triboelectric Materials for Extreme Environmental Conditions”发表在《Small Methods》上。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/smtd.202200664
图1. 基于“三步法”策略所制备的竹材衍生摩擦电材料及其用于抗恶劣环境后的能量收集与自供电传感
图2. “三步法”策略的具体流程与纤维素基摩擦电材料的结构形貌
图3. 纤维素基摩擦电材料的基础表征
图4. 纤维素基摩擦电材料所制备的TENGs，在接触分离工作模式下的电性能输出
图5. 分层多孔纤维素基TENGs抗恶劣环境后的能量收集与传感
综上所述，该研究采用特殊的“三步法”策略，成功的设计并制备了一种独特的分层多孔纤维素基摩擦电材料，该材料所组装的TENGs在经历极端工作条件后，仍然具有稳定的能量收集和传感性能。同时，这项研究代表了一种绿色和温和的合成方法来生成摩擦电材料表面的微纳米结构，与以前的报告相比，依赖于使用有害蚀刻剂的恶劣加工条件更具有使用价值。简而言之，特殊设计的纤维素基摩擦电材料具有优越的摩擦电性能（1.1 W/m2）和耐极端条件下稳定的能量收集以及自供电传感性能，并且成本低、易降解、可持续。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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