[发明专利]一种改性木质素纳米纤维素薄膜在摩擦纳米发电机中的应用

说明书

本发明公开了一种改性木质素纳米纤维素薄膜在摩擦纳米发电机中的应用。本发明将季铵化木质素与纳米纤维素混合制备成季铵化木质素‑纳米纤维素薄膜，将氧化木质素与纳米纤维素混合制备成氧化木质素‑纳米纤维素薄膜，以季铵化木质素‑纳米纤维素薄膜作为正极摩擦层材料，氧化木质素‑纳米纤维素薄膜作为负极摩擦层材料，用于制备摩擦纳米发电机。季铵化改性木质素纳米纤维素薄膜具有摩擦正极性，氧化木质素纳米纤维素薄膜具有摩擦负极性，将两种木质素纳米纤维素薄膜作为电极材料组装成摩擦纳米发电机，可显著提高其摩擦电输出电压。该摩擦纳米发电机可应用于自供电质量传感器，且其输出电压与待测物体质量有良好的线性关系。

技术领域

本发明属于纳米能源领域，具体涉及一种改性木质素纳米纤维素薄膜在摩擦纳米发电机中的应用。

背景技术

随着清洁能源需求不断增长，从周围环境中收集机械能并转换为电能成为了热点问题，这对于缓解能源短缺和全球气候暖化问题至关重要。2012年，研究人员首次提出了一种能够便捷有效地收集环境能量并转化为电能的能量装置—摩擦纳米发电机(NanoEnergy,2012,1,328334)。这是一种微小型的自供电能量收集装置，具有灵活结构、重量轻、低成本、功能多样化等优点。其工作原理是通过摩擦起电效应和静电感应效应的耦合作用，将外界环境和人体产生的机械能转化为可供应用的电能。

近年来，越来越多的研究开始探索摩擦纳米发电机应用于可穿戴和植入式生物体传感器，但传统的摩擦纳米发电机摩擦层的材料主要为金、银、铜等金属材料以及聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺等合成高分子材料，一方面它们是不可再生资源，难生物降解，废弃后对大自然造成污染；另一方面，这些材料通常具有一定的细胞毒性，缺乏生物相容性，这将限制了摩擦纳米发电机在人体可穿戴和植入式便携设备中的应用。为此，研究人员着手研究基于生物质材料的摩擦纳米发电机。生物质材料主要包括纤维素、木质素、壳聚糖等来自自然界的高分子聚合物。它们具有良好生物相容性而且可生物降解，可用于取代传统摩擦层材料并制作绿色环保无生物毒性的可穿戴或植入式摩擦纳米发电机。但是，由于生物质材料普遍都没有强吸电子结构，目前绝大多数的生物质材料均作为正极摩擦层材料，而负极材料一般还是由合成高分子材料组成。

木质素是世界上存量最大的天然芳香族聚合物，它广泛存在于植物体内，具有良好生物相容性、无细胞毒性、环保可降解等优点。木质素主要由三种结构单元组成，分别是对羟基苯结构单元、愈创木基结构单元和紫丁香基结构单元，分子中存在大量的烷烃基团。研究表明烷烃基团是一种良好的供电子基团，木质素也是一种具有良好的摩擦正电性的生物质材料(ACS Nano,2017,11,61316138)。由于木质素本身的刚性结构以及难成膜的特点，单独使用木质素无法制备成摩擦纳米发电机，目前仅有的相关文献报道了使用木质素和淀粉混合制备复合薄膜作为摩擦供电子层，应用于摩擦纳米发电机中(APL Materials,2017,5,074109)。虽然该报道解决了木质素难以在摩擦纳米发电机中应用的问题，但是该摩擦纳米发电机的吸电子层依旧使用了人工合成高分子材料，整体上仍缺乏良好的生物相容性和可生物降解性。再者，该复合材料使用的木质素仅有30％，若继续增大木质素的添加量会导致复合材料无法成膜的问题。此外，该文献报道的摩擦纳米发电机输出电压仅有1V，电学性能方面仍有很大的提升空间。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种改性木质素纳米纤维素薄膜在摩擦纳米发电机中的应用。

本发明采用两种木质素改性方法，以改变木质素的摩擦极性，将其作为正负极摩擦层材料应用于摩擦纳米发电机中。

木质素分子中含有大量酚羟基，能通过特定的反应条件接枝季铵根基团，从而增强木质素的摩擦给电子能力。同时，木质素中存在许多醚键，可以通过氧化反应增加木质素的羟基、羧基和羰基含量，从而增大木质素的摩擦吸电子能力。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种改性木质素纳米纤维素薄膜在摩擦纳米发电机中的应用，具体为：