螃蟹壳也能发电

能源是我们赖以生存的命脉，大力发展可再生能源，寻找能源新的增长点，是保障未来可持续发展的重点。基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机（TENG），可以将环境中的机械能高效地转化为电能，高效收集人们周围分布广泛且无处不在的微小的机械能，具有质量轻、体积小、材料选择广泛、结构简单等特点，为能量收集和自驱动传感领域开辟了一个新的方向。

现有研究大多数采用合成高分子材料制备摩擦纳米发电机，这将对环境造成不可逆的伤害和污染。本研究采用从虾蟹等节肢动物的甲壳提取的唯一带有游离氨基的碱性多糖--壳聚糖作为摩擦材料，构建高能量密度的TENG。作为一种天然绿色材料，壳聚糖还广泛存在于菌类、藻类、软体动物的壳和骨骼之中。北航团队提出了一种基于壳聚糖的结晶度调控和介电性能增强的策略。材料内壳聚糖聚合物链形成了结晶结构，通过调控结晶程度，可实现摩擦电极性的转变。另一方面，聚合物链缠绕的碳纳米管，在界面处会产生深陷态，从而诱导更多摩擦电荷，提升摩擦电性能。

技术描述

本项目提出了一种基于壳聚糖的结晶度调控和介电性能增强的策略。团队研究了摩擦电改性的两种机理：材料内壳聚糖聚合物链形成了结晶结构（蓝色小方块），通过调控结晶程度，可实现摩擦电极性的转变。另一方面，聚合物链缠绕的碳纳米管，在界面处会产生深陷态，从而诱导更多摩擦电荷，提升摩擦电性能。

通过分析壳聚糖分子链的静电势图，与表面电势表征技术相结合，解释了由壳聚糖结晶结构产生的独特的摩擦电极性转移机理。此调控策略拓展了壳聚糖基TENG的配对材料选择和应用场景，并且为其他生物材料的摩擦电改性研究提供了可能的方案。同时，通过掺杂纳米材料单壁碳纳米管（SWCNT），实现不同结晶度的壳聚糖薄膜的介电性能增强，进而提升摩擦电性能。优化后的TENG最大转移电荷密度为262 μC m-2，并且在20%——85%的湿度范围内表现出优异的输出稳定性。本研究为调控壳聚糖的摩擦电极性，提高其性能和稳定性提供了新的思路，促进了天然生物材料在TENG领域的发展。