学术研究报告：基于细菌纤维素的可降解透明薄膜摩擦纳米发电机

一、研究团队与发表信息
本研究由北京化工大学的Linan Feng、北京纳米能源与系统研究所的Xia Cao（通讯作者）、佐治亚理工学院的Zhong Lin Wang（王中林，通讯作者）及北京化工大学的Liqun Zhang（通讯作者）合作完成，发表于期刊*Nano Energy*（2024年，第120卷，文章编号109068），在线发布于2023年11月12日。

二、学术背景与研究目标
本研究属于柔性电子与可持续能源领域，聚焦于摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）的材料创新。传统TENG依赖不可降解的合成材料，而本研究旨在开发一种基于天然生物材料（细菌纤维素，Bacterial Cellulose, BC）的可降解、透明且高效的TENG。通过引入海藻酸钠（Sodium Alginate, SA）和钛酸钡（Barium Titanate, BTO）纳米颗粒，团队试图解决TENG在环境友好性、机械柔性和输出性能之间的矛盾。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- BC/SA复合膜：将纯化的BC纳米纤维（0.1 g/mL）与不同质量分数（11.1%、16.7%、20%）的SA混合，加入甘油和羧甲基纤维素钠，75℃搅拌3小时后，通过真空干燥（60℃）或自然干燥成膜。
- BC/SA/BTO复合膜：在优化SA比例（16.7 wt%）的基础上，添加BTO纳米颗粒和聚偏氟乙烯（PVDF），同样真空干燥成膜。

1. TENG器件构建

   • 以BC/SA或BC/SA/BTO薄膜为正极摩擦层，氟化乙烯丙烯（FEP）薄膜为负极摩擦层，铝箔为电极，采用垂直接触-分离模式组装TENG。
     

2. 性能表征

   • 电学输出：通过线性电机驱动TENG，使用Keithley 6514电表测量开路电压（Voc）、短路电流（Isc）和转移电荷量（Qsc）。
     
   • 微观形貌：采用扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析薄膜表面粗糙度与BTO分散性。
     
   • 介电性能：通过介电常数测试验证BTO对材料极化的增强作用。
     
   • 降解实验：将薄膜浸泡于纤维素酶溶液，记录7小时内降解过程。
     

3. 应用验证

   • 能量收集：通过电容充电实验（3.3–47 μF）评估TENG的储能能力。
     
   • 生物力学监测：将TENG贴附于人体关节（如手指、脚跟），检测行走、跑步等运动的电信号差异。
     

四、主要研究结果
1. 电学性能提升
- BC/SA/BTO基TENG（SBB-TENG）的输出电压和电流较纯BC/SA基TENG（SBC-TENG）分别提升174%和193%，最高达530.1 V和62.4 μA（4 Hz频率下）。
- 介电常数测试显示，BTO的引入使复合膜介电常数显著提高，通过自发极化增强电荷密度（公式1）。

1. 结构优化机制

   • SEM显示BTO颗粒均匀分散于BC纤维网络，形成“花骨状”粗糙表面（RMS粗糙度44.6 nm），增大了接触面积。
     
   • FTIR证实SA与BC通过氢键结合，XRD验证BTO的四方相结构（JCPDS #05–0626），确保铁电性。
     

2. 可降解性与应用

   • 所有薄膜在纤维素酶溶液中7小时内完全降解，其中BC/SA膜1小时内断裂，而BC/SA/BTO因BTO包裹延缓降解。
     
   • SBB-TENG可驱动湿度计、电子表等设备（47 μF电容充电至2.6 V仅需60秒），并实现运动强度区分（行走与跑步的Voc分别为101.3 V和114.1 V）。
     

五、结论与价值
本研究通过BC/SA/BTO复合膜的设计，实现了TENG在高效能量收集、生物力学监测与环保性能的统一。其科学价值在于：
1. 材料创新：首次将BC的天然降解性与BTO的高介电性结合，为绿色电子器件提供新范式。
2. 性能突破：通过介电常数和表面粗糙度的协同优化，显著提升TENG输出。
3. 应用扩展：在可穿戴健康监测和自供电传感领域具产业化潜力。

六、研究亮点
1. 全降解TENG：所有组件可在7小时内被纤维素酶分解，解决电子垃圾问题。
2. 高性能与柔性并存：输出电压>500 V的同时保持薄膜透明度（>80%）和弯曲柔韧性。
3. 多场景传感：通过电信号差异实现运动强度量化，适用于运动员训练或康复监测。

七、其他价值
团队开发的真空干燥工艺可推广至其他生物基薄膜制备，且专利技术已申请保护（中国专利优先权）。该研究为碳中和目标下的微型电子设备提供了可持续解决方案。