东北林业大学王丽丽AM：高效稳定摩擦电纳米发电机材料，实现无人机智能控制

随着技术的不断进步和对可持续能源需求的日益增长，摩擦纳米发电机（TENG）材料在生物医学和可穿戴电子领域展现出广阔前景。然而，现有材料仍面临高阻抗、低电流输出以及表面电荷密度有限等问题，严重制约了其实际应用。提升摩擦电性能，尤其是增强表面电荷密度，已成为当前研究的重点。此外，金属氧化物虽具备优异的物理化学特性，但其强离子键结构使其难以与聚合物形成稳定的化学界面，阻碍了电荷的有效存储与传输。同时，材料在真实环境中还需应对温度、湿度等外部因素的影响，因此开发具有宽温适应性和疏水性的高性能摩擦电材料具有重要意义。

东北林业大学王丽丽副教授、哈尔滨工业大学单小彪教授合作首次通过带正电的壳聚糖季铵盐（CQAS）与富电子金属氧化物之间的静电吸引作用，成功制备了三种稳定的摩擦电薄膜：CQAS/Sc₂O₃、CQAS/MnO₂和CQAS/ZnO。分子动力学模拟显示三者界面结合能均为负值，表明其结构稳定；密度泛函理论进一步证实金属氧化物中氧原子周围存在电子富集区，尤其在ZnO中氧原子平均电子数为-0.89，形成强负电势。其中，CQAS/ZnO复合膜表现出最优的电学性能：开路电压达1260 V，转移电荷密度为11.50 nC cm⁻²，漏电流最低（37.2 μA），电滞回线闭合性最佳。研究还提出了聚合物与金属氧化物配对的理论模型，将器件品质因子从纯CQAS的0.26提升至1.0，提升了3.85倍，实现了高效能量转换与人机交互。相关论文以“The Efficient and Stable Triboelectric Nanogenerator Materials Based on Electrostatic Attraction Between Biomass and Metal Oxides for UAV Flight Control”为题，发表在

Advanced Materials

图1展示了CQAS及其复合膜的制备流程与应用场景。通过分子动力学与密度泛函理论进行理论筛选后，采用微电子印刷技术成功制备出CQAS及其与三种金属氧化物的复合薄膜。该材料在高温、高湿等复杂环境下仍保持稳定输出，并成功应用于无人机飞行控制与人机交互系统中。此外，CQAS来源于虾、蟹等甲壳类动物外壳，推动了每年全球食品加工中产生的数百万吨甲壳废弃物的高值化利用。

图1. CQAS与金属氧化物的制备与应用 a) 分子动力学与密度泛函理论的理论筛选过程； b) 微电子打印技术制备CQAS及其复合膜； c) 人机交互应用场景； d) 在不同环境下的应用前景及无人机驱动演示； e) 天然生物质CQAS的来源（甲壳类动物外壳）。

图2从理论角度揭示了CQAS与金属氧化物之间的静电结合机制。结合能计算表明三者均具有负值，说明界面结合稳定。二维电子密度图显示Sc₂O₃、MnO₂和ZnO中氧原子周围均存在明显的电子富集区（红色区域），其中ZnO的电子积累最为显著。Mulliken电荷分析进一步确认ZnO中氧原子平均电荷为-0.89，高于Sc₂O₃（-0.79）和MnO₂（-0.70），这表明ZnO与CQAS之间具有更强的静电吸引作用。

图2. CQAS与金属氧化物之间的静电结合理论 a) CQAS/Sc₂O₃、CQAS/MnO₂和CQAS/ZnO的结合能； b–d) Sc₂O₃、MnO₂和ZnO的二维电子密度图； e) CQAS与金属氧化物之间的静电吸引示意图。

图3通过X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱分析对材料结构、形貌与元素分布进行了系统表征。XRD图谱显示所有金属氧化物均具有清晰的晶体结构，且与标准卡片匹配良好。SEM图像中，CQAS/ZnO表面光滑，ZnO颗粒分散均匀，无团聚现象，表明其与CQAS基质间具有更强的界面结合与静电作用。EDS图谱进一步证实Sc、Mn、Zn元素在各自复合膜中分布均匀，说明材料制备成功且结构稳定。

图3. CQAS及其复合膜的结构与形貌表征 a) CQAS、CQAS/Sc₂O₃、CQAS/MnO₂和CQAS/ZnO的XRD图谱； b, e, h) 各复合膜的SEM图像； c, f, i) 各复合膜的EDS元素分布图。

图4对比了纯CQAS与三种复合膜在10 N、1 Hz条件下的摩擦电性能。CQAS/ZnO在ZnO质量为0.3 g时表现最佳，其开路电压为1260 V，短路电流为5.69 μA，转移电荷密度达11.50 nC cm⁻²，显著优于CQAS/Sc₂O₃和CQAS/MnO₂。在35%-90%湿度和25-85°C温度范围内进行环境适应性测试，CQAS/ZnO在90%湿度下仍能维持820 V的开路电压，在85°C高温下更是保持1100 V，显示出优异的环境稳定性。

图4. CQAS与金属氧化物的摩擦电性能 a–c) CQAS/Sc₂O₃膜的开路电压、短路电流和转移电荷密度； d–f) CQAS/MnO₂膜的电学输出性能； j–i) CQAS/ZnO膜的电学输出性能。

图5分析了材料的电滞回线与漏电流行为。CQAS/ZnO具有最接近闭合的电滞回线，且漏电流最低（37.2 μA），说明其界面结构稳定，能有效抑制电荷泄漏与能量损耗。相比之下，CQAS/MnO₂虽具有较高的电位移，但回线开口明显，漏电流高达2400 μA，表明其能量损失严重，稳定性较差。

图5. CQAS与金属氧化物的电滞回线与漏电流 a) CQAS及其复合膜的漏电流测试结果； b–e) CQAS、CQAS/Sc₂O₃、CQAS/MnO₂和CQAS/ZnO在10、20、30 kV电场下的电滞回线。

图6通过变温傅里叶变换红外光谱、应力-应变曲线和接触角测试评估了材料的热稳定性、力学性能与润湿性。VT-FTIR显示CQAS/ZnO在-30至150°C范围内官能团结构稳定，氢键网络热稳定性强。力学测试中，CQAS/ZnO的拉伸强度最高，达22.1 MPa。接触角测量表明所有薄膜均具有疏水性（约101°），有利于在高湿环境中抑制水分子吸附。最后，研究团队基于CQAS/ZnO薄膜开发了无人机智能控制系统，通过人手触摸薄膜产生的电信号成功触发无人机起飞，展示了其在可穿戴设备与人机交互领域的应用潜力。

图6. 变温红外光谱、力学性能、接触角测试与无人机控制 a–d) CQAS及其复合膜在-30至150°C下的VT-FTIR光谱； e) 应力-应变曲线； f) 接触角测量结果； g) 无人机及其控制系统； h) 人机交互模块； i) 无人机飞行演示。

本研究成果首次通过静电吸引机制成功构建了CQAS与金属氧化物的稳定复合结构，其中CQAS/ZnO在电学输出、机械强度与环境适应性方面均表现最优，不仅实现了无人机的智能操控，也为生物质基摩擦电材料的设计提供了新思路。未来，这类材料有望在绿色能源、柔性电子与智能传感等领域发挥重要作用，推动天然生物质资源的高效、高值化利用。

来源：高分子科学前沿

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