生物质材料作为一种取之不尽用之不竭的可持续资源，因其具有特殊的层次与孔洞结构在高性能结构材料的开发上展现了其特殊的优势。这种高度有序的层次结构，为植物的生长提供了强而有力的机械支撑并促进了营养物质的纵向运输。天然的孔洞结构则为相邻细胞间物质的交换提供了通道，并提高了植物的能量储存效率。科研人员受这种有趣组织结构的启发，开发了基于天然纤维素支架所设计的复合功能材料，因其特殊的结构与出色的性能，而在能源储存、智能可穿戴设备等众多领域备受关注，尤其是在分布式微纳能源的收集领域。然而大多数传统的生物质摩擦电材料仍然存在高温易分解、低温脆性甚至材料脱复合等问题，严重限制了其在极地探索、航空航天以及其它恶劣条件下的拓展与应用。因此，开发出同时具有高效性、环境稳定性以及满足丰富传感类型的摩擦电功能材料，仍然是一个巨大的挑战。
受天然竹材特殊结构的启发，赵佳敏等人设计了与其结构极为相似的纤维素摩擦电材料。受益于材料特殊的分级多孔结构，纤维素基摩擦电材料在工作面积仅为1 cm 2时，便可达到2.9 μA的短路电流其工作功率高达1.1 W/m 2。即使在经受高温 (200°C)、低温 (-196°C)、燃烧环境以及多次热循环冲击 (ΔT=396°C) 后，仍可保持85%的电能收集并满足丰富多样的自供电传感类型。这种绿色通用的策略，为功能材料基于生物质资源的构建与应用提供了一种可持续的发展方向。相关成果以题为“Hierarchical Porous Cellulosic Triboelectric Materials for Extreme Environmental Conditions”发表在《Small Methods》上。
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
【分层多孔纤维素基摩擦电材料的设计与应用理念】
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。大自然巧妙的设计了这一切，这种结构与功能之间的关系，启发我们设计了与天然竹材结构极为相似的分层多孔纤维素基摩擦电材料。
图2. 纤维素基摩擦电材料的制备与形貌及其摩擦电性能
【分层多孔纤维素基摩擦电材料的制备与性能】
本文提出的“三步法”策略所采用的酸水解体系主要的是由过氧乙酸和木质素之间的反应，形成小分子量产物并逐渐脱除。同时，过氧乙酸水解体系通过多相水解侵蚀部分纤维素，在竹材的表面和壁-腔内部形成更多大小不同的多通道孔隙。而通过液相变压法所浸渍的苯胺单体，由静电作用和氢键作用在纤维素支架内壁的界面上形成良好的排列。过硫酸铵的加入，使聚苯胺在纤维素支架内逐步生长并形成了树突状的网络结构。由于分层多孔纤维素基摩擦电材料的特殊结构，使得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TENGs的电输出性能。相较于普通薄膜材料，分层多孔纤维素基摩擦电材料的特殊结构提供了较大的表面积，同时由于边缘效应而促进了电荷的积累。
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
【恶劣环境下的分层多孔纤维素基摩擦电材料】
复杂的形貌和恶劣的工作环境，使传统摩擦电材料在能量收集与自供电传感时都面临着巨大的挑战。得益于特殊的分层多孔结构，生长在支架内部的导电聚合物能够被很好的保护，使其不被脱落破坏。而纤维素支架的多孔结构保证了聚苯胺在其内部互联互通的致密生长，尽管存在微孔隙，但纳米级的孔道严重阻碍了氧气的进入，也保护了纤维素支架尽可能的不被氧化破坏，而纤维素与聚苯胺的氢键作用也有助于材料在恶劣环境下整体的稳定性。
总结：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/m 2）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。
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