[發明專利]一種改性木質素納米纖維素薄膜在摩擦納米發電機中的應用

有效

• 申請號: 202110381161.X
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113054866B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 錢勇;馮銳恒;邱學青;楊東杰;樓宏銘;歐陽新平
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C08L97/00
• 分類號: C08L97/00;C08L1/02;H02N1/04;C08J5/18
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 殷妹

本發明公開了一種改性木質素納米纖維素薄膜在摩擦納米發電機中的應用。本發明將季銨化木質素與納米纖維素混合制備成季銨化木質素?納米纖維素薄膜，將氧化木質素與納米纖維素混合制備成氧化木質素?納米纖維素薄膜，以季銨化木質素?納米纖維素薄膜作為正極摩擦層材料，氧化木質素?納米纖維素薄膜作為負極摩擦層材料，用于制備摩擦納米發電機。季銨化改性木質素納米纖維素薄膜具有摩擦正極性，氧化木質素納米纖維素薄膜具有摩擦負極性，將兩種木質素納米纖維素薄膜作為電極材料組裝成摩擦納米發電機，可顯著提高其摩擦電輸出電壓。該摩擦納米發電機可應用于自供電質量傳感器，且其輸出電壓與待測物體質量有良好的線性關系。

技術領域

本發明屬于納米能源領域，具體涉及一種改性木質素納米纖維素薄膜在摩擦納米發電機中的應用。

背景技術

隨著清潔能源需求不斷增長，從周圍環境中收集機械能并轉換為電能成為了熱點問題，這對于緩解能源短缺和全球氣候暖化問題至關重要。2012年，研究人員首次提出了一種能夠便捷有效地收集環境能量并轉化為電能的能量裝置—摩擦納米發電機(NanoEnergy,2012,1,328334)。這是一種微小型的自供電能量收集裝置，具有靈活結構、重量輕、低成本、功能多樣化等優點。其工作原理是通過摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合作用，將外界環境和人體產生的機械能轉化為可供應用的電能。

近年來，越來越多的研究開始探索摩擦納米發電機應用于可穿戴和植入式生物體傳感器，但傳統的摩擦納米發電機摩擦層的材料主要為金、銀、銅等金屬材料以及聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亞胺等合成高分子材料，一方面它們是不可再生資源，難生物降解，廢棄后對大自然造成污染；另一方面，這些材料通常具有一定的細胞毒性，缺乏生物相容性，這將限制了摩擦納米發電機在人體可穿戴和植入式便攜設備中的應用。為此，研究人員著手研究基于生物質材料的摩擦納米發電機。生物質材料主要包括纖維素、木質素、殼聚糖等來自自然界的高分子聚合物。它們具有良好生物相容性而且可生物降解，可用于取代傳統摩擦層材料并制作綠色環保無生物毒性的可穿戴或植入式摩擦納米發電機。但是，由于生物質材料普遍都沒有強吸電子結構，目前絕大多數的生物質材料均作為正極摩擦層材料，而負極材料一般還是由合成高分子材料組成。

木質素是世界上存量最大的天然芳香族聚合物，它廣泛存在于植物體內，具有良好生物相容性、無細胞毒性、環?？山到獾葍烖c。木質素主要由三種結構單元組成，分別是對羥基苯結構單元、愈創木基結構單元和紫丁香基結構單元，分子中存在大量的烷烴基團。研究表明烷烴基團是一種良好的供電子基團，木質素也是一種具有良好的摩擦正電性的生物質材料(ACS Nano,2017,11,61316138)。由于木質素本身的剛性結構以及難成膜的特點，單獨使用木質素無法制備成摩擦納米發電機，目前僅有的相關文獻報道了使用木質素和淀粉混合制備復合薄膜作為摩擦供電子層，應用于摩擦納米發電機中(APL Materials,2017,5,074109)。雖然該報道解決了木質素難以在摩擦納米發電機中應用的問題，但是該摩擦納米發電機的吸電子層依舊使用了人工合成高分子材料，整體上仍缺乏良好的生物相容性和可生物降解性。再者，該復合材料使用的木質素僅有30％，若繼續增大木質素的添加量會導致復合材料無法成膜的問題。此外，該文獻報道的摩擦納米發電機輸出電壓僅有1V，電學性能方面仍有很大的提升空間。

發明內容

為解決現有技術的缺點和不足之處，本發明的目的在于提供一種改性木質素納米纖維素薄膜在摩擦納米發電機中的應用。

本發明采用兩種木質素改性方法，以改變木質素的摩擦極性，將其作為正負極摩擦層材料應用于摩擦納米發電機中。

木質素分子中含有大量酚羥基，能通過特定的反應條件接枝季銨根基團，從而增強木質素的摩擦給電子能力。同時，木質素中存在許多醚鍵，可以通過氧化反應增加木質素的羥基、羧基和羰基含量，從而增大木質素的摩擦吸電子能力。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種改性木質素納米纖維素薄膜在摩擦納米發電機中的應用，具體為：