Structurally robust cellulosic triboelectric materials under high moisture conditions for self-powered sensing

材料科学 纤维素乙醇 纤维素 摩擦电效应 纤维素纤维 复合材料 水分 湿强度 化学工程 纤维 极限抗拉强度 工程类
作者
Chunqi Jiao,Chao Li,Jiaji Yue,Leping Li,Huijie Yang,Yehan Tao,Jie Lu,Yanna Lv,Haisong Wang,Mingqian Tan,Haisong Wang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:122: 109311-109311
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109311
摘要

Eco-friendly cellulosic fibers-based triboelectric nanogenerators (TENGs) are enormously and increasingly demanded for self-powered flexible electronics. However, under high moisture conditions (e.g. sweat, sailing and rain day), the mechanical behaviors of hydrophilic paper were severely reduced due to the weak wet strength and the cellulosic paper-based sensors were easily destroyed under external force, leading to the device failure and invalid signal acquisition. Herein, an industrial-friendly polyethylenimine (PEI)-assisted pulping strategy was developed to produce advanced cellulosic papers, which possessed reinforced wet strength and tribopositive performance. During pulping procedure, the cationic PEI molecules could be quickly in situ bonded onto the surface of fibers under electrostatic interaction and the interfacial interaction between fibers was significantly enhanced through the formation of hydrogen bonds between the amino groups on PEI and the hydroxyl groups on cellulose fibers. The wet strength was significantly enhanced from 1.93 MPa for pristine paper to 8.33 MPa for cellulose/PEI1.5% with an enhancement of 4.32 times. Moreover, originating from the enhanced dielectric behaviors upon the introduction of PEI, the optimized cellulose/PEI1.5% TENG delivered the maximum VOC of 157.3 V, ISC of 3.47 μA, QSC of 42.73 nC and instantaneously maximum power density of 145.93 mW·m-2. Our findings proposed a new perspective for fabricating high-performance tribopositive cellulosic materials that withstand high humid conditions.
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