基于非极化PVA/纤维素复合材料的柔性压电-摩擦电纳米发电机：高功率能量收集与自供电传感新策略

【编辑推荐】面对传统极化压电材料制备复杂、输出性能低的瓶颈，研究人员创新性地采用非极化PVA/纤维素复合材料，开发出兼具高功率输出（PENG：ISC 2.08 mA，PO 1.89 mW；TENG：PO 1.85 mW）和生物可降解特性的纳米发电机，解决了极化工艺能耗高、生物材料输出弱的核心问题，为可穿戴设备提供绿色能源方案。

　　

全球能源危机背景下，机械能收集技术成为可再生能源开发的重要突破口。传统压电材料如聚偏氟乙烯(PVDF)和锆钛酸铅(PZT)虽广泛应用，但依赖千伏级高压极化工艺，存在制备成本高、输出衰减快等缺陷。更棘手的是，这些石油基材料不可降解，与可持续发展理念背道而驰。与此同时，生物基压电材料虽环保却普遍面临输出功率不足的困境——例如未极化的细菌纤维素(V-ZnO/BC)基PENG仅能产生0.2 V电压，而壳聚糖基TENG功率密度低至15.7 mW/m²，难以满足实际应用需求。

针对这一系列挑战，中国某高校（根据文中国家自然科学基金资助信息推断为国内机构）的Dan Sun团队创新性地将聚乙烯醇(PVA)与纤维素复合，通过氢键网络重构策略，开发出无需极化即可实现高功率输出的双模纳米发电机。这项发表于《Materials Research Bulletin》的研究，首次报道了相对介电常数高达1.02×10⁷⁷（较基底材料提升10³倍）的非极化复合材料，为绿色能源器件设计开辟了新路径。

研究团队采用溶剂法制备PVA/纤维素复合薄膜：将滤纸与LiCl/DMAc按1:4:48质量比溶解后，加入等量PVA形成均相溶液，经浇铸成膜获得柔性基底。通过SEM、XRD和FTIR表征证实材料形成致密氢键网络，DMA测试显示其断裂伸长率达16%。电学性能测试中，PENG采用铜电极夹层结构，TENG设计为接触分离模式，分别通过力锤和线性电机施加机械激励。

【结果与讨论】

1. 材料特性：XRD显示PVA/纤维素在19.6°出现新衍射峰，FTIR证实3420 cm^-1处氢键特征峰增强，说明分子间相互作用强化。介电测试揭示复合材料在100 Hz下介电常数突破10⁷量级，为电荷存储提供理想环境。

2. PENG性能：在0.25 Hz压力下，非极化PVA/Cellulose-PENG输出I_SC达2.08 mA（较纯纤维素PENG提升17700倍），V_OC为0.91 V，瞬态功率1.89 mW可直接驱动8个LED和计算器。这种"自极化"特性源于氢键诱导的永久偶极矩，避免了传统材料的退极化问题。

3. TENG表现：30 Hz工作频率下，V_OC和I_SC分别达到60 V和11.7 μA，电荷转移密度50 μC/cm²，较纯纤维素TENG提升240%。手指弯曲测试中产生-1~1 V的实时信号，证实其在可穿戴传感中的应用潜力。

4. 机械性能：拉伸强度54,887 kPa配合16%的断裂伸长率，使器件能适应复杂形变。湿度实验表明PVA的引入显著提升环境稳定性，在85%RH下输出衰减<15%。

这项研究通过分子工程策略，首次实现了非极化生物材料的超高电学输出。其意义在于：① 摒弃高压极化工艺，使生产成本降低60%以上；② 双模设计可同步收集压电和摩擦电能，能量转换效率较单模器件提升3个数量级；③ 全生物基材料实现"零电子垃圾"目标。研究团队特别指出，该材料的千克级成本仅约60元人民币，且溶剂法工艺易于放大，为物联网传感器供电提供了规模化解决方案。未来通过调控羟基密度和薄膜拓扑结构，有望进一步突破生物材料功率极限。