【研究背景】

基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机（TENGs）由于其低成本、轻重量和高灵敏度的特性，在能量管理和自供电传感中得到了广泛的应用。摩擦纳米发电机作为自供电电子设备在能量收集和传感方面展现出巨大潜力，但其在高温条件下存在热稳定性差、导热性能不足等问题，导致输出性能下降和设备寿命缩短。

近日，北京林业大学马明国教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Cellulose nanofiber/boron nitride/MXene ternary composite films with excellent thermal conductivity for high output triboelectric nanogenerators under high temperature”。研究者通过真空辅助自组装技术构建了仿生层状结构的纤维素纳米纤维（TOCNF）/氮化硼（BNNS）/MXene三元复合薄膜（TCBM），利用了BNNS的高导热性和MXene的导电性与结构导向作用，协同提升了复合材料的热管理能力和摩擦电输出稳定性，为高温环境下自供电系统的开发提供了思路。

采用多尺度协同增强策略，本研究以TOCNF作为柔性基底，通过真空辅助自组装技术制备了仿生层状TCBM复合薄膜（图1）。TOCNF表面丰富的羧基（-COOH）和羟基（-OH）基团可与BNNS的B-N极性键形成强氢键。此外，通过TOCNF的桥接作用，BNNS与MXene之间形成氢键网络，从而增强复合材料的界面连续性。BNNS边缘缺陷产生局部偶极矩，通过偶极-偶极相互作用与TOCNF的极性基团相互作用。有序排列的取向有效降低了界面热阻，并构建了连续、高效的声子传输通道。

图1：TCBM复合薄膜的制备与应用

如图2所示， BNNS和MXene纳米片的显著调节了TOCNF的自组装行为，在TCBM薄膜中形成类似珍珠层的分层结构。这种独特的微观结构源于TOCNF固有的三维网络形成能力。它可通过氢键相互作用将BNNS和MXene纳米片锚定于纤维网络中，从而实现纳米填料的均匀分散（图2a-c）。

含有较高负载量BNNS和MXene的复合薄膜展现出密集的纳米片层排列及连续的渗透性（图2d,e）。这种仿生结构有望大幅提升复合薄膜的平面热导率及电荷传输效率。优化后的复合结构在保持优异功能特性的同时，实现了卓越的力学性能（图2f-h）。与TOCNF复合薄膜相比，含10wt% BNNS/MXene填料的复合薄膜的抗拉强度从150.25 MPa提升至179.05 MPa，断裂伸长率从4.64%增加到5.14%，杨氏模量和韧性分别从4.47 GPa和3.88 MJ m-3增加到4.93 GPa和4.54 MJ m-3。复合薄膜还具有16.72 W m−1 K−1的优异导热系数。

图2 （a-e）薄膜的显微截面SEM图像；（f）TCBM复合薄膜在不同BNNS和MXene含量下的拉伸应力-应变曲线；（g）拉伸强度和断裂伸长率；（h）杨氏模量和韧性；（i）h-BN和BNNS的热重分析光谱；（j）TCBM复合薄膜的TGA曲线和（k）差示热分析（DTG）曲线；（l）TCBM复合薄膜的平面内和厚度方向热导率

Voc、Isc 和 Qsc 随着 BNNS 和 MXene 负载量的增加逐步增加，从初始值28.6 V、10.2 nC 和2.1 μA（TOCNF-TENG）分别提升至79.6 V、30.7 nC和7.6 μA（TCBM5-TENG）（图3）。随着接触面积从2.0 cm × 2.0 cm减小到0.5 cm × 0.5 cm，开路电压（Voc）从79.6 V降至13.6 V，静电容量（Qsc）从30.7 nC降至5.1 nC，短路电流（Isc）从7.6 μA降至0.87 μA。由于较大的摩擦表面能够收集更多的Qsc，从而产生更高的摩擦电输出。

图3 TCBM-TENG的（a）结构示意图和（b）垂直接触分离工作模式；不同BNNS和MXene含量的TCBM-TENG的（c）Voc、（d）Qsc和（e）Isc；（f-h）不同TCBM复合薄膜面积下TCBM-TENG的Voc、Qsc和Isc；（i-k）不同冲击频率下TCBM-TENG的Voc、Qsc和Isc

摩擦纳米发电机能够实现79.6 V的开路电压、7.6 μA的短路电流、30.7 nC的累积电荷和272.5 mW m−2的最大功率密度（图4）。在270 °C的高温下，摩擦纳米发电机也能保持出色的摩擦电输出性能（电压高达55.8 V）。摩擦纳米发电机在270 °C下连续运行6000个循环，仍然保持稳定的输出性能，充分展现了其卓越的运行可靠性。

此外，摩擦纳米发电机还可用作自供电压力传感器，能够实时监测人体运动。其具备高灵敏度（0-11 kPa范围内为2.681 kPa-1）、快速响应/恢复时间（90/98 ms）及优异稳定性，可实现人体运动的实时监测。通过集成蓝牙模块，该传感器将电信号传输至移动终端，证明了其在可穿戴电子设备和健康监测系统中的可行性。

图4 （a）TCBM复合薄膜与不同极性材料接触时的Voc、Qsc和Isc；（b）稳定性测试；（c）TCBM-TENG在不同外部电阻下的Voc、Isc和功率密度；（d）TCBM-TENG为不同电容充电；TCBM-TENG以2Hz频率为10μF电容充电和放电，以点亮（e）手表和（f）计算器；（g）手表和计算器充电图像；（h）TCBM-TENG 在不同温度下的Voc和Qsc；（j）TCBM-TENG与其他材料的摩擦电性能比较

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167292

人物简介：

马明国，北京林业大学教授、博士生导师。主要从事多功能纳米纤维素复合材料研究。在国际期刊发表SCI收录论文100余篇，发表的论文被引用10000余次，单篇最高被引次数1084次，H-Index指数53，授权国家发明专利16件；主编英文专著1部，参编英文专著16部。担任《造纸与纤维材料》编委，《陶瓷学报》青年编委，《复合材料学报》青年编委。先后荣获中国林业青年科技奖，教育部自然科学奖二等奖2项，梁希林业自然科学奖二等奖1项。北京市“千人进千企”专项行动产业特派员，北京市创业导师。入选爱斯维尔（Elsevier）与美国斯坦福大学2020-2024全球前2%顶尖科学家榜单，入选全球学者库“2023全球学者学术影响力排名（终身学术影响力榜）”。