中国科学院北京纳米能源与系统研究所杨亚

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近年来，人们期望开发出绿色环保、可持续的新型聚合物材料，为优化纳米发电机的结构和性能提供新思路。从自然界的生物中开发出来的聚合物纳米纤维，由于其独特的纳米结构、性能、可再生性和丰富性，已经逐渐成为能源领域中的一类新兴构筑单元材料。近日，东北林业大学陈文帅教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所杨亚教授等总结了生物聚合物衍生纳米纤维基纳米发电机的研究进展，撰写了题为“Biopolymer Nanofibers for Nanogenerator Development”的综述型文章，发表在Research上（DOI: 10.34133/2021/1843061）。
       纳米发电机是美国佐治亚理工学院王中林院士团队最早提出的通过收集环境中的微机械能转化为电能的供电装置。与其他发电装置相比，纳米发电机具有一些明显优势，如：独特的微型化、可持续供电、不依赖外部能源、灵活的结构设计和组装、多样的材料选择等。随着全球对纳米发电机领域研究兴趣的快速增长，纳米发电机的材料选择和制造技术受到了广泛关注。生物聚合物纳米纤维作为由树木、竹子、螃蟹、虾、蜘蛛和蚕等生物合成的天然聚合物纳米材料，继承了生物材料的许多优点，如来源丰富、优越的力学性能、生物相容性、生物降解性、可再生性等，同时还展现出独特的纳米结构和性质，已被用来开发多种不同类型的纳米发电机（图1）。

图1  生物聚合物纳米纤维的制备、块体材料构筑与纳米发电机开发

       首先，文章介绍了从不同生物原料制造聚合物纳米纤维的有效策略，以及各种生物聚合物纳米纤维的结构和特性。多糖和蛋白质纳米纤维是地球上最主要的两种生物聚合物纳米纤维，具体包括纤维素纳米纤维、甲壳素纳米纤维、丝纳米纤维、胶原纳米纤维和明胶纳米纤维。生物聚合物纳米纤维的制备方法主要包括：生物材料纳米解纤、从小分子中生物合成和静电纺丝。随后，文章重点介绍了使用不同生物聚合物纳米纤维作为基本构筑单元开发纳米发电机的研究进展。生物聚合物纳米纤维可以通过直接利用/化学改性/复合活性单元等方法来制备薄膜、纳米纸、气凝胶、泡沫等，用于纳米发电机开发；通过设计使块体材料具有优化的孔尺寸、孔结构、粗糙度、纳米纤维有序排列或堆叠、复杂结构等，以进一步优化并提升纳米发电机的性能和功能。近年来，生物聚合物纳米纤维除了被用于研发摩擦纳米发电机和压电纳米发电机外，也被逐步应用在利用湿气或渗透能发电的发电机领域。
        生物聚合物纳米纤维的开发和利用在纳米发电机领域具有很大的潜力，但进一步优化纳米发电机的性能和功能仍面临着许多挑战。如何利用更有效的方法开发不同种类的生物聚合物纳米纤维，如何对生物聚合物纳米纤维进行化学改性引入更多类型的活性基团，如何制造更多类型生物聚合物纳米纤维衍生块体材料用于各种类型的纳米发电机开发等，仍有待于后续深入研究。