第一作者：Jiandan Liang, Qiuxiang Yang
通讯作者：曹霞
通讯单位：中国科学院
研究速览
近期，中国科学院曹霞以《Triboelectric materials with UV protection, anti-bacterial activity, and green closed-loop recycling for medical monitoring》为题在Chemical Engineering Journal发表文章。除了能量收集和自供电传感之外，人们对扩展基于纤维素的摩擦电纳米发电机的功能也越来越感兴趣。在此，作者报告了一种基于果胶-木质素纳米颗粒的摩擦电纳米发电机（PL-TENG）的开发情况，它具有抗菌、防紫外线（UV）、绿色降解、闭环回收和重复使用等先进功能。当有效接触面积为 3 cm × 3 cm 的 PL-TENG 开路电压达到 245 V 和短路电流 28 µA 时，功率密度高达 15.42 W ⋅ m-2，并且 PL-TENG 在 1200 次接触分离循环中保持稳定。此外，PL-TENG 不仅对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S.A.）具有显著的抗菌活性，还具有出色的紫外线防护能力，紫外线防护系数（UPF）值高达 315。此外，柔性 PL-TENG 还具有出色的自供电触觉传感器能力和实时电信号反馈能力。患者可以使用摩尔斯电码进行医学情绪表达，实时监测人体运动，帮助患者改善运动习惯。多功能 PL-TENG 技术的设计显示了可穿戴电子设备的巨大潜力，包括医疗保健、人机界面和充电微电子设备。
要点分析
要点一：用超声辅助反溶剂法对木质素进行改性，得到了具有良好抗菌性能和抗紫外线性能的LNP。
要点二：将可生物降解的果胶与LNP结合，实现了可生物降解、抗菌、防紫外线和可回收性的特性。
要点三：利用FEP和PL薄膜作为摩擦电对，构建了PL- TENG自供电传感器。
图文导读
图1.高性能 PL 和 PL-TENG 的制备过程。(a) PL 和 PL-TENG 的生物降解性和可回收性示意图。(b) PL 的制造过程示意图。
图2. (a) LNPs 的扫描电镜。(b-e）不同 LNP 含量的果胶薄膜的表面形态。(b) 0% LNPs/果胶薄膜（纯果胶薄膜）。(c) 3% LNPs/果胶薄膜。(d) 7% LNPs/果胶薄膜。(e) 13% LNPs/果胶薄膜。(f) 7% LS/果胶薄膜。(g) 7% PL 薄膜对大肠杆菌的抗菌效果。(h) 7% PL 薄膜对 S.A. 的抗菌效果 (i) 不同 LNP 含量的杀菌率比较 (j) 紫外可见光谱。(k) ATR-FTIR 光谱。(l) 不同 LNPs 含量的果胶薄膜的 XRD 图谱。
图3.(a-c）工作机制示意图；（d）COMSOL 模拟的 PLs-TENG 的电位分布；（e）频率为 1 Hz 时 PLs-TENG 的 Voc、（f）Isc 和（g）转移电荷。
图4.五种摩擦电材料对 PL-TENG 输出性能的影响。(a-c) 采用不同接触材料的果胶 TENG 在频率为 1 Hz 时的输出性能。(d-f) 7 % LNPs/果胶和 7 % LS/果胶TENG 在不同频率下的输出性能。(g) 不同 LNP 含量的 PL-TENG 的输出性能。(h) 不同接触面积的 PL-TENG 的输出性能。(i) 不同外部负载电阻条件下的输出电压和功率密度。
图5.(a-c) PL-TENG 的耐久性和稳定性测试。(d) PL-TENG 使用不同电容值（10-220 µF）电容器的充电能力。(e-g) PL-TENG 的可回收性。(h) PL 在土壤表面的生物降解性测试。(i) 由 PL-TENG 点亮的 98 盏串联绿色 LED 灯的照片。(j) 由 PL-TENG 供电的计算器。
图6. 基于 PL 薄膜的 TENG 的应用。(a) 基于 PL 薄膜的 TENG 的结构和工作原理示意图。(b) 基于摩尔斯电码的通信机制示意图。(c) 病人通过基于 PL 薄膜的可穿戴 TENG 传感器与医生互动的示意图。基于 PL 薄膜的 TENG 通过输出摩尔斯电码中的(d) “STOP”、“HELP ”和 “OK”，(e) “FEVER”、“SICK ”和 “SOS ”字符来表达情绪。(f) 辅助手部力量训练示意图。(g) 不同握力下的电输出。(h) 不同抓取速度下的电输出。(i) 不同手指抓握时的电输出。
结论
综上所述，作者成功开发了具有可回收循环、绿色生物降解、抗菌和防紫外线功能的 PL-TENG，并证明了其在能量收集和自供电传感器应用方面的潜力。木质素纳米粒颗粒采用超声辅助反溶剂工艺合成，使 LNPs 暴露出更多的活性基团，如芳香羟基和醌基，从而破坏微生物的细胞形态，达到抗菌效果。PL-TENG 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性高达 90%。制备的 LNPs 具有较大的比表面积，能在材料表面形成粗糙的表面结构，从而提高了摩擦起电过程中的有效接触面积。当有效接触面积为 3 cm × 3 cm 的 PL-TENG 开路电压达到245 V 和短路电流 28 µA 时，功率密度高达 15.42 W⋅m-2，并且 PL-TENG 在 1200 次接触分离循环中保持稳定。此外，PL-TENG 的 UPF 值高达 315，超过了紫外线防护服的要求。值得注意的是，TENG 的制备过程简单安全，可用于大规模生产。这些结果表明，PL-TENG 在可穿戴智能医疗材料、抗菌材料、智能户外运动和自供电系统方面具有巨大潜力。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158407
参考文献：Jiandan Liang, Qiuxiang Yang, Ce Zhang, Wen Jiang, Shounian Cheng, Yang Tao, Lin Peng, Yu Han, Xia Cao, Zhong Lin Wang,Triboelectric materials with UV protection, anti-bacterial activity, and green closed-loop recycling for medical monitoring,Chemical Engineering Journal,503,2025,158407.
DOI: 10.1016/j.cej.2024.158407
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