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。

【生物基能源与材料】获悉，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》（IF 26.8)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。

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。

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1. CNFs和PEDOT之间的界面相互作用机制

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2. CNF/PEDOT的形貌和表面电势分布

图3展示了乙醇处理对CNF/PEDOT材料的结构调控作用：通过毛细效应诱导PEDOT晶体从面朝取向转变为边朝排列，晶格间距缩小，同时脱除掺杂离子。

图3.乙醇毛细作用介导的CNF/PEDOT晶体结构调控

图4显示了多种界面作用协同促进PEDOT有序生长、晶体排列的CNF/PEDOT复合材料，其电荷离域显著提升优化了导电性，最终测得3.86 μW m-1K-2的优异功率因子，证实了毛细作用与晶体工程协同提升热电性能的有效性。

图4. 乙醇处理后CNF/PEDOT的热电性能

图5展示了CNF/PEDOT复合材料在可穿戴应用中的卓越耐久性与热电性能：

1. 耐久性：2000次循环弯折电导率保持90 S/cm（波动<6%）；5000次摩擦仅失重3%；湿热、冷冻、UV老化后电导率衰减<5%。

2. 热电性能：弯折后功率因子达3.95±0.11 μW m⁻¹K⁻²。柔性热电发电机在50 K温差下输出46.6 nW；并在ΔT=10 K（人体体温差）下稳定产生0.4 mV电压，功率输出优于多数同类材料，彰显自供电可穿戴设备潜力。

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

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。

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