摘要：风能、水力发电、太阳能和潮汐能等可再生能源在满足日益增长的可持续能源需求方面取得了显著进展。然而，它们在为电子设备供电方面的应用面临着尺寸、环境依赖性和成本等限制。这引发了人们对替代能源收集策略的兴趣，特别是日常人类活动中尚未开发的机械能。摩擦电纳米发电机（T

背景介绍

风能、水力发电、太阳能和潮汐能等可再生能源在满足日益增长的可持续能源需求方面取得了显著进展。然而，它们在为电子设备供电方面的应用面临着尺寸、环境依赖性和成本等限制。这引发了人们对替代能源收集策略的兴趣，特别是日常人类活动中尚未开发的机械能。摩擦电纳米发电机（TENG）已成为一种基于接触带电和静电感应原理将机械能转化为电能的创新技术。凭借其高能量转换效率、多种制造方法和广泛的材料选择，TENG在众多应用中显示出潜力，如微/纳米电源、自供电传感器、空气/气体过滤和控制接口。

在为TENG应用探索的材料中，纤维素作为一种天然、可再生的聚合物脱颖而出，具有出色的环境认证。其丰富的可用性、生物相容性、生物降解性和成本效益使其成为环保能量收集设备的有前景的候选者。纤维素的高摩擦性能归因于其结构组成，具有β-1-4糖苷键和含氧原子的羟基，可提高摩擦电性能。纤维素基材料，如纸张、薄膜、水凝胶和气凝胶，在TENG中作为摩擦电层显示出巨大的潜力。

纳米纤维素是将纤维素精炼到纳米级的产物，为TENG应用提供了更大的优势。它以三种主要形式存在——纤维素纳米晶体（CNCs）、纤维素纳米纤维（CNFs）和细菌纤维素（BC）——每种形式都有不同的结构和性质。特别是CNC是棒状颗粒，具有高结晶度、出色的机械强度和相当大的表面电荷密度，使其特别适合增强TENG性能。尽管有这些优势，但基于CNC的TENG的研究仍然有限。现有的研究已经证明了CNC复合材料的潜力，例如用于运动监测的CNC/明胶薄膜和含有CNC的生物复合材料用于自愈和机械增强。其他应用包括具有空气过滤功能的CNC膜，在TENG中说明了它们的多功能性。

虽然纤维素基TENG通常使用Al、Ag和Cu等金属电极，但这些材料有明显的局限性。它们通常很重、很硬，容易腐蚀，降低了它们对灵活、轻便和可穿戴应用的适用性。此外，银等金属价格昂贵，氧化铟锡（ITO）由于采矿和加工的影响而引发了环境问题。这些缺点促使人们探索石墨烯等替代电极材料，以提高TENG的性能。石墨烯已成为TENG电极的极具吸引力的候选者，具有出色的导电性、机械强度、柔韧性和化学稳定性。其特性使其成为灵活轻便的能量收集设备的理想选择。石墨烯电极已经使用真空过滤、滴铸、喷涂和化学气相沉积等方法制造，为传统金属提供了经济高效且可扩展的替代品。最近的进展包括用于触觉传感和无线控制的激光诱导石墨烯电极和放大纤维素基TENG功率输出的石墨烯复合材料。例如，用石墨烯纸代替铜电极，使再生纤维素基TENG的功率密度提高了五倍。

纤维素基TENG，特别是那些使用石墨烯电极的TENG，因其在从需要重复运动的人类活动（如行走）中获取机械能方面的应用而越来越受到认可。这些设备为小型便携式电子设备提供了可再生和可持续的能源。它们的生物相容性和灵活性进一步使其适用于可穿戴设备、先进的医疗系统和智能监测技术。为了充分发挥TENG中纤维素材料的潜力，扩大其应用范围至关重要。

本文亮点

1. 本工作开发了TENG，使用CNC作为单电极模式的摩擦电层，与石墨烯电极结合，并与腈或PTFE配对作为反摩擦电层。

2. 研究了CNC层厚度和化学功能化如何影响TENG在输出电流、电压和功率方面的性能。使用辛胺基团和PTFE官能化的CNC实现的最高功率密度为0.4 W/cm2。

3. 这款TENG表现出了出色的长期稳定性，在三年内保持了一致的输出信号。

4. 利用这种高性能的TENG，我们有效地从钢琴演奏中获取生物力学能量，将其存储在电容器中，用作各种设备的电源。

图文解析

图1. a） 所研究的TENG的结构和操作机理示意图。b） 接触和分离过程中基于CNC/石墨烯的TENG的图像。c） 不同CNC层厚度的CNC腈基TENG的开路电压（Voc）。d） 不同CNC层厚度的CNC丁腈TENG的短路电流（Isc）。e） 用于oCNC的Voc与PTFE配对，以获得最佳的oCNC层厚度。f） oCNC的ISC与PTFE TENG配对，以获得最佳的oCNC层厚度。

图2. a） d）测量过程中弯曲TENG的结构，b）和c）弯曲过程中的VOC和ISC（蓝色）以及器件恢复到平坦状态后的结构（红色）。e） f）不同TENG装置的VOC和ISC分别随弯曲次数的变化。

图3. 人手驱动的TENG装置的特征。a） 由覆盖有附着在丁腈手套上的PTFE的手指驱动的装置示意图，Voc如图b）所示，Isc如图c）所示。d） CNC腈TENG的功率密度测量示意图，负载电阻器与TENG设备连接。e） 绘制了不同CNC厚度的CNC丁腈TENG的功率密度与负载电阻的关系图。f） 以PTFE和腈为面层的TENG的功率密度。

图4. 三个TENG样品的VOC[a）、b）和c）]以及ISC[d）、e）和f）]信号，这些样品使用PTFE作为对抗材料和手动驱动力。

图5. 基于CNC/石墨烯的TENG在钢琴演奏能量收集中的应用：a）与TENG层压在某些琴键上的键盘图像。b） 用于将收集的能量存储到电容器中的电路及其图像。c） -f）基于CNC的TENG的短路电流：腈[c）和oCNC:PTFE[e）和f）]，用于不同风格钢琴触键的单键按压。g） 多个TENG的短路电流信号。h） 在硬和软播放多个按键时充电电容器的输出直流电压。

来源：华算科技