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英文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108851
01研究背景
火災(zāi)事故是一種全球性挑戰(zhàn)，對人類生命構(gòu)成嚴(yán)重威脅，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞。小型救援指示器和遠(yuǎn)程救援電子設(shè)備在火災(zāi)救援中發(fā)揮著重要作用。但這些電子設(shè)備依賴傳統(tǒng)電池供能，在高溫環(huán)境下容易失效，且電池的安全隱患、壽命短和對環(huán)境的負(fù)擔(dān)也令人擔(dān)憂。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）為此提供了一個(gè)新的思路。然而，由于熱離子發(fā)射效應(yīng)的負(fù)面影響和火焰對摩擦電材料的破壞，極大限制了TENG在高溫下的電性能。目前，如何確保TENG在高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定的電性能，已成為TENG發(fā)展的關(guān)鍵問題。
02文章概述
近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種耐火的纖維素摩擦電材料，實(shí)現(xiàn)了高溫環(huán)境下穩(wěn)定的自供電傳感。為了使TENG傳感器擺脫高溫的干擾，研究人員利用微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和本征耐火材料的耦合，賦予了纖維素基摩擦電材料優(yōu)異的耐高溫性能（在100 ℃的環(huán)境下傳感器的輸出保持率達(dá)到90%）。隨后構(gòu)建了一種救援傳感器和小型救援指示設(shè)備，并成功應(yīng)用在火災(zāi)救援中的防火服上，可有效感知消防員在火場中的運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)成果以題為“Fire-retardant hydroxyapatite/cellulosic triboelectric materials for energy harvesting and sensing at extreme conditions”發(fā)表在了《Nano Energy》上，段青山博士為第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，章志君、趙佳敏、何娟霞、彭偉卿、張葉和劉濤參與研究。
03文章導(dǎo)讀
1. 耐火纖維素摩擦電材料的制備
利用異氰酸酯基團(tuán)（-NCO）和羥基（-OH）的化學(xué)反應(yīng)，并通過真空輔助抽濾方法制備了具有多孔表面和緊密堆積的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的納米纖維素/羥基磷灰石復(fù)合膜。利用該阻燃的纖維素摩擦電材料設(shè)計(jì)了具有耐高溫的TENG，可作為在高溫環(huán)境下收集生物能源的自供電傳感器，對高溫環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)感知和火場救援疏散具有重要意義。
2. 耐火纖維素摩擦電材料的表征
通過FT-IR、XRD、EDS和XPS分析了纖維素摩擦電材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征。FT-IR中1720 cm-1處出現(xiàn)氨基甲酸酯基團(tuán)的信號(hào)；XRD分析表明復(fù)合膜的結(jié)晶度相比于原料有所提高；EDS表明各元素分散均勻；XPS中出現(xiàn)了N的結(jié)合能峰；這些確認(rèn)了接枝反應(yīng)的成功。另外，通過SEM觀察了復(fù)合膜的表面結(jié)構(gòu)和截面結(jié)構(gòu)，利用AFM確認(rèn)了復(fù)合膜的表面粗糙度變化。
3. 耐火纖維素摩擦電材料的摩擦電性能
基于納米纖維素/羥基磷灰石復(fù)合膜制備了垂直接觸-分離模式的TENG，測試了其室溫下的摩擦電性能。與純納米纖維素膜相比，其電輸出性能有了極大提升（峰值開路電壓、短路電流和表面電荷密度分別提高了436.84%、900%和485.71%），且在10000個(gè)工作循環(huán)中保持了較好的穩(wěn)定性。通過從20℃-200℃范圍的電性能測試，發(fā)現(xiàn)其在100 ℃的溫度下的輸出可達(dá)到常溫下的90%。并且，它可以為不同容量的電容器充電。
4. 耐火纖維素摩擦電材料的隔熱性能
通過TG檢測分析了阻燃纖維素摩擦電材料的熱穩(wěn)定性，推測出羥基磷灰石是抵抗高溫干擾的關(guān)鍵。通過垂直燃燒實(shí)驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)其阻燃特性較傳統(tǒng)耐高溫隔熱材料（醋酸纖維膜、芳綸膜和玻璃纖維膜）有很大進(jìn)步。在隔熱性能測試中，酒精燈加熱5分鐘后，有該材料隔離的燒杯中心水溫比空白組低33.3%；表明其具有一定的隔熱性能。
5. 極端條件下的能量收集和自供電傳感
防火服在火場救援中保障了消防員的安全，基于耐火纖維素摩擦電材料制備了用于防火服的自供電傳感器。研究結(jié)果表明，自供電傳感器具有良好的無線傳感能力。由于阻燃纖維素摩擦電材料具有優(yōu)異的耐高溫和耐火性能，在200℃下仍有18 mV的無線電信號(hào)。通過疏水改性，賦予了復(fù)合膜優(yōu)異的疏水性能。這使自供電傳感器受到火焰和水的侵蝕后，依然保持較為穩(wěn)定的無線電輸出，滿足了消防員反復(fù)進(jìn)出火場的需求。根據(jù)其制備的TENG還可以作為自供電救援指示設(shè)備，用于疏散火場人員。
04結(jié)論
在這項(xiàng)工作中，制備了一種表面多孔、內(nèi)部緊密堆積的纖維素摩擦電材料。該材料不僅具有耐火性能(500℃)和隔熱性能，而且具有優(yōu)異、穩(wěn)定的摩擦電性能。在100℃下輸出保持率達(dá)到常溫的90%。單電極自供電傳感器可以通過電信號(hào)反饋對傳感器的環(huán)境進(jìn)行分析。離子交換大大增強(qiáng)了復(fù)合膜的疏水性能，即使在火焰和水侵蝕后，其無線電信號(hào)仍達(dá)到正常情況的75%。這為耐火和隔熱摩擦電材料的開發(fā)和應(yīng)用提供了新的思路，在火災(zāi)環(huán)境下的自供電傳感領(lǐng)域顯示出突出的潛力和應(yīng)用前景。