纳米纤维素也可以导电？浙江大学发现了纤维里的 “发电密码”

纳米纤维素，这种源自植物的“绿色材料”，本是强度出众的“力学能手”，却因绝缘的“体质”在电子领域屡屡碰壁。近日，浙江大学衢州研究院杨轩/Lim Khak Ho/王文俊团队给它来了一场“导电改造”：就像给纤维穿上一层均匀的“导电外衣”，通过分子动力学模拟精准调控，让PEDOT在纳米纤维素表面有序生长，不仅电导率飙升5个数量级，还能在弯曲、磨损等“考验”下稳如泰山。

相关研究成果以《Surface-Engineering Cellulose Nanofibers via In Situ PEDOT Polymerization for Superior Thermoelectric Properties》为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。论文通讯作者为杨轩、Lim Khak Ho研究员，第一作者为浙江大学工程师学院衢州分院2023级研究生夏宇轩。

研究背景

绿色、可持续的固态电源是下一代可穿戴电子的重要研究方向。当前，柔性、微型化的热电发电技术受到关注，有机半导体虽具柔性和低热导率，但结合性差、强度低，限制其应用。纳米纤维素因具备高机械强度、反应活性和低热导率，被视为理想的柔性基底材料。然而，其与导电聚合物间的弱界面作用力限制了器件的性能。通过调控纳米纤维素表面基团与半导体链的耦合作用，可显著提升界面相容性和载流子输运性能，为高效柔性热电器件的材料开发与产业化提供关键路径。

研究亮点

杨轩/Lim Khak Ho/王文俊团队提出一种新方法——静电调控策略，通过连续原位聚合制备表面均匀包覆PEDOT的导电纳米纤维素，优于传统聚合工艺。机制研究表明，CNF表面功能化与PEDOT分子链调控之间的协同耦合作用是实现其均匀聚合的关键。纤维间的毛细管力促进了PEDOT微晶的重构与有序排列，同时去除反离子，显著增强载流子离域性，使电导率提升达5个数量级。该策略打破了传统需依赖碳化或物理混合实现导电的限制，展示了纳米纤维素在可穿戴电子中的应用潜力。

图文解析

图1显示了分子模拟揭示PEDOT在CNF静电势增强界面（氢键/范德华力/静电作用）下均匀聚合，避免微晶聚集。

图2通过多种表征手段展示了CNF/PEDOT复合材料的形貌与电性能。结果表明，设计的原位聚合策略所制备的复合材料具有更均匀的纤维结构和稳定的表面电势分布，明显优于传统聚合或物理共混方法，验证了该策略在构建高质量导电网络方面的优势。

图5. CNF/PEDOT耐弯折、耐磨和耐受性测试及其热电器件性能测试

总结与展望

综上，团队提出了一种实现PEDOT在纤维素纳米纤维表面均匀原位聚合的方法，突破了传统需碳化或共混才能有效导电的认知。通过原位聚合与毛细重构协同策略可有效兼顾纤维素基柔性材料导电性、柔性与环境稳定性特性，展现出在可穿戴能源和生物电子材料领域的广泛应用前景。

课题组创建于2008年，研究工作以聚合物产品工程为主线，围绕着聚合物性能与价值的最大化，开展聚合物复杂链结构的定制，主要亮点工作包括：（1）聚烯烃及其功能化；（2）退役聚合物高值回收利用；（3）纳米复合材料；（4）生物质化工产品工程；（5）功能精细聚合物产品工程。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/wenjunwang

杨轩，浙江大学化学工程与生物工程学院“百人计划”研究员，国家级青年人才，主要从事生物质转化与功能化方面的研究，特别是纤维素的绿色高效分离和高值化利用，获ACS I&EC Research最具影响力研究者、中国化工学会侯德榜化工科学技术奖“青年奖”、“挑战杯”全国一等奖（指导教师）等奖励和荣誉。

Lim Khak Ho（林嘉河），浙江大学衢州研究院特聘研究员。致力于热电纳米材料、生物质材料、柔性电子、微能量收集及气敏传感等。主持并参与多项国家/省/市级科研项目，入选国家外国专家、市“青年人才”计划。