随着传感器在小型化、智能化、便携化、多功能化和网络化方面的爆炸式发展，具有制备简单、操作灵活、自供电特性的摩擦纳米发电机（TENGs）已成为传感器的理想选择。然而，高湿环境下摩擦电材料工作性能较弱，限制了TENGs作为传感器的广泛应用。因此，开发一种高湿环境下性能好、工作稳定、灵敏度高的摩擦电材料显得及其紧迫。
针对以上挑战，王双飞院士团队"先进木质纤维材料"课题组以模板法构筑了纤维素基摩擦电材料，为高湿环境下实时自供电传感提供可持续输出。模板化过程中纤维素与湿敏材料的协同作用提高了材料的亲水性。研究发现，该湿敏摩擦电材料在宽湿度范围内(40%-90% RH)具有高灵敏度(0.8/1%)和高稳定性(150 s)。能够在高湿环境下进行可视化湿度传感和呼吸监测。这项成果以题为“Cellulose template-based triboelectric nanogenerators for self-powered sensing at high humidity”发表在《Nano Energy》上。
气敏纤维素摩擦电材料的设计与应用
纤维素纳米纤维可从各种生物质资源(例如木材)获得，具有整齐的一维分层结构，并且富含含氧极性官能团(例如羟基)。分子链上丰富的羟基为其提供了可观的可修饰性，有利于湿敏材料（Ti 3C 2T x）的引入。
图1. 基于纤维素模板摩擦电材料的制备。
湿敏纤维素摩擦电材料的湿敏性能
将该材料作为TENG正极摩擦材料在不同湿度环境中进行测试，进一步评估其湿敏稳定性、灵敏度。分层多孔结构和Ti 3C 2T x纳米片单元及其之间的相互连接为水分子提供了丰富的活性位点，有利于水分子的引入。实验证明了湿敏纤维素摩擦电材料对湿度进行无线实时传感的可行性。
图2. 纤维摩擦电材料的湿敏特性。
纤维素摩擦电材料用于高湿环境下自供电传感
该材料能够在高湿环境下进行可视化湿度传感和呼吸监测。基于这种可靠的监测方式，并为了更加符合万物互联的理念和更加便捷的接收生物信号的信息，设计了接入手机端的无线实时传感系统。
图3.高湿环境下纤维素摩擦电材料用于自供电传感。
总结：本研究以天然纤维素为模板制备了亲水摩擦电材料，并将其用于高湿环境下的自供电传感。这种湿敏摩擦电材料在宽湿度范围内(40%-90% RH)具有高灵敏度(0.8/1%)和高稳定性(150 s)。基于该材料的传感器可以在高湿环境下进行可视化湿度感应和呼吸监测。这为高性能湿敏摩擦电材料的应用打下了坚实的基础，也为高性能湿敏摩擦电材料的设计拓宽了思路。
