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英文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108851
01研究背景
火災事故是一種全球性挑戰，對人類生命構成嚴重威脅，造成重大的經濟損失和環境破壞。小型救援指示器和遠程救援電子設備在火災救援中發揮著重要作用。但這些電子設備依賴傳統電池供能，在高溫環境下容易失效，且電池的安全隱患、壽命短和對環境的負擔也令人擔憂。摩擦納米發電機（TENG）為此提供了一個新的思路。然而，由于熱離子發射效應的負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在高溫環境中保持穩定的電性能，已成為TENG發展的關鍵問題。
02文章概述
近日，王雙飛院士團隊報道了一種耐火的纖維素摩擦電材料，實現了高溫環境下穩定的自供電傳感。為了使TENG傳感器擺脫高溫的干擾，研究人員利用微觀結構設計和本征耐火材料的耦合，賦予了纖維素基摩擦電材料優異的耐高溫性能（在100 ℃的環境下傳感器的輸出保持率達到90%）。隨后構建了一種救援傳感器和小型救援指示設備，并成功應用在火災救援中的防火服上，可有效感知消防員在火場中的運動。這項成果以題為“Fire-retardant hydroxyapatite/cellulosic triboelectric materials for energy harvesting and sensing at extreme conditions”發表在了《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文章導讀
1. 耐火纖維素摩擦電材料的制備
利用異氰酸酯基團（-NCO）和羥基（-OH）的化學反應，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部結構的納米纖維素/羥基磷灰石復合膜。利用該阻燃的纖維素摩擦電材料設計了具有耐高溫的TENG，可作為在高溫環境下收集生物能源的自供電傳感器，對高溫環境下的運動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結構特征。FT-IR中1720 cm-1處出現氨基甲酸酯基團的信號；XRD分析表明復合膜的結晶度相比于原料有所提高；EDS表明各元素分散均勻；XPS中出現了N的結合能峰；這些確認了接枝反應的成功。另外，通過SEM觀察了復合膜的表面結構和截面結構，利用AFM確認了復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個工作循環中保持了較好的穩定性。通過從20℃-200℃范圍的電性能測試，發現其在100 ℃的溫度下的輸出可達到常溫下的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定性，推測出羥基磷灰石是抵抗高溫干擾的關鍵。通過垂直燃燒實驗對比，發現其阻燃特性較傳統耐高溫隔熱材料（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異的耐高溫和耐火性能，在200℃下仍有18 mV的無線電信號。通過疏水改性，賦予了復合膜優異的疏水性能。這使自供電傳感器受到火焰和水的侵蝕后，依然保持較為穩定的無線電輸出，滿足了消防員反復進出火場的需求。根據其制備的TENG還可以作為自供電救援指示設備，用于疏散火場人員。
04結論
在這項工作中，制備了一種表面多孔、內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，而且具有優異、穩定的摩擦電性能。在100℃下輸出保持率達到常溫的90%。單電極自供電傳感器可以通過電信號反饋對傳感器的環境進行分析。離子交換大大增強了復合膜的疏水性能，即使在火焰和水侵蝕后，其無線電信號仍達到正常情況的75%。這為耐火和隔熱摩擦電材料的開發和應用提供了新的思路，在火災環境下的自供電傳感領域顯示出突出的潛力和應用前景。