摩擦奈米發電機（Triboelectric Nanogenerators, TENGs）是一類透過接觸起電和靜電感應相結合，將環境中的機械能(如海浪、風、車輛移動、人類運動等) 轉化為電能輸出的裝置。這些輸出既可以作為電源，也可以用作感測訊號。然而，迄今為止提出的許多TENG裝置主要是由不可再生的合成聚合物製成的。近年來，木質生物質（woody biomass），一種豐富的可再生資源，成為了TENG環保化程序中很合適的一種原料選擇。然而，許多已發表的基於木質生物質的TENG往往厚重、密實且不夠靈活，因而更適合於地板、建築等大規模應用。儘管已有研究致力於賦予木材樣品足夠的柔韌性以用於TENGs應用，但迄今為止，尚未有研究充分利用氣凝膠（aerogel）的獨特特性，如超低密度、輕質、高孔隙率和高比表面積。
為了解決這一系列問題，伊利諾伊大學厄巴納香檳分校Yi-Cheng Wang教授團隊聯合威斯康星大學麥迪遜分校Xuejun Pan教授團隊以溴化鋰溶液為溶劑，透過溶解再生法，以楊木生物質（poplar woody biomass）為原料成功製備了用於多功能摩擦電裝置的氣凝膠。為了提高氣凝膠的結構均勻性，採用了兩種處理方法——在溶解前對原始楊木生物質進行球磨（ball milling）或在溶解後進一步進行超聲波處理（ultrasonication）。這些處理改變了所得氣凝膠的多孔結構和機械效能，使其摩擦電效能顯著提高。該團隊還探索了從氣凝膠中去除大部分木質素的方法，結果顯示脫除木質素的氣凝膠摩擦電輸出比原始（即未經其他處理）的木質生物質氣凝膠高出約 5 倍。Woody Biomass-TENG (WB-TENG) 在生物機械運動（biomechanical motion）感測的應用也被研究和討論。該研究以題為 “Fabricating and Engineering Woody-Biomass Aerogels for High-Performance Triboelectric Nanogenerators for Energy Harvesting and Biomechanical Monitoring” 的論文發表在最近一期《 Advanced Functional Material》上。
木質生物質氣凝膠的摩擦電效能的顯著提高部分原因可分為物理層面和化學層面。物理的角度來說，均質化處理以及去木質素處理可以導致的氣凝膠內部多孔結構孔徑大小的變化。在化學上，因為木質素由於其芳香結構富含π電子而可以吸引電子。所以相比原始木質氣凝膠，低木質素氣凝膠與其他表面接觸或摩擦時更加容易累積正電荷；當其與本身電負性強的polytetrafluoroethylene (PTFE)接觸時，產生的電訊號會大大增加。如圖1a所示，木質生物質氣凝膠是按照纖維素的溶解和再生法制成的 。簡而言之 ，為了製造基本的（即“原始”）氣凝膠，將脫乙醯基的磨碎木材分散並溶解在高溫的溴化鋰溶液中。將熱混合物進行冷卻再生，從而得到木質生物質生物質水凝膠。隨後放入冷凍乾燥機中乾燥成氣凝膠。為了探索改善氣凝膠結構均勻性的潛在方法，添加了進一步的操作： 球磨（溶解步驟前）或超聲波處理（溶解步驟後）。然後按照上述相同的方法將其加工成水凝膠，隨後加工成氣凝膠。如圖1b所示 （I: 原始木質氣凝膠樣品，II &III：均質化處理樣品，IV：低木質素樣品），從SEM照片可以看出來受過均質化處理後的樣品有著明顯的孔徑大小的改變，其中低木質素樣品的孔徑大小是最大的。
（圖1）木質氣凝膠製備過程，以及其物理特性。
該研究也評估了WB-TENGs的接觸-分離工作模式下電訊號的輸出。在WB-TENGs的電訊號輸出表現上，經過均質化處理過的木質氣凝膠樣品的電壓、電流、電荷量有著相應的提升。低木質素氣凝膠在所有三個輸出類別中表現出的摩擦電效能明顯優於三種高木質素氣凝膠。其中在50 N的壓力下，低木質素氣凝膠TENG的輸出達到了V oc ≈102 V; I sc ≈1.38 µA; and Q sc ≈41.8 nC，其中V oc相較原始木質氣凝膠提高了近5倍。
（圖2）裝置示意圖，TENG的機制和不同處理後的木質氣凝膠的電訊號輸出。
該研究也探索了由低木質素氣凝膠製成的WB-TENGs的潛在應用。比如機械能收集的能力，包括其點亮LED燈、為電容器充電以及為商用電子裝置供電 （圖3）。
（圖3）WB-TENG機械能量收集和潛在應用。
（圖4）WB-TENG 多種人體運動狀態的能量採集與健康監測
總結：該研究開發了一種新型楊木生物質氣凝膠，用於製造高效多功能摩擦電裝置，透過均質化處理和去木質素處理顯著提高了其結構均勻性和摩擦電效能。並使其在作為可穿戴生物動能感測器方面具備可能性，能夠監測並區分不同的呼吸模式、關節活動及步態變化，未來該研究有潛力為物理治療提供實時、精確的運動資料分析。
參考文獻:Li, L., Wang, R., Fu, Y., Jin, Z., Chen, J., Du, H., Pan, X., Wang, Y.-C. Fabricating and Engineering Woody-Biomass Aerogels for High-Performance Triboelectric Nanogenerators for Energy Harvesting and Biomechanical Monitoring, Advanced Functional Materials (2024) 2412324.https://doi.org/10.1002/adfm.202412324.
來源：高分子科學前沿
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