纖維素基摩擦納米發電機研究進展

王斌斌，李海龍，魏 雨，高 萌，張正健

（天津科技大學輕工科學與工程學院，天津 300457）

由于環境污染的不斷增加和全球能源的不斷消耗，可再生、可持續和環保的能源得到了廣泛關注，隨著對電力需求的迅速增加，各種可再生能源，如風能、太陽能、熱能和機械能，已被用來發電和減少使用傳統能源造成的環境污染。在這些可再生能源中，機械能是一種在日常生活中很容易獲得的豐富資源。2012年，王中林課題組創新性地制備出了一種基于摩擦起電和靜電感應耦合[1]的柔性透明摩擦納米發電機（triboelectric nanogenerator，TENG）[1]，該器件由兩種不同的電極性聚合物和金屬電極組成，在接觸和分離的過程中導致聚合物膜表面接觸起電，由于靜電感應在背電極上產生異電荷，此時在外電路產生電荷的定向移動，從而產生電流，實現電能的穩定輸出。這是一種基于新原理和新方法的新型發電機，在能量收集方面開辟了新的研究領域[2]。至今，基于摩擦電、壓電和靜電感應的納米發電機均已被提出，可以用于構建自供電系統，將各種機械能轉換為電能，包括人體運動[3]、風能[4]、雨滴動能[5]和藍色能源[6]等。TENG的摩擦納米發電材料通常具有電極性，最常用的正極材料是金屬，然而金屬材料在惡劣環境中容易被氧化或腐蝕[7]，這將影響到TENG的穩定性。大多數材料都是不可生物降解的，所以在使用結束后可能造成資源浪費或者環境污染。在這個背景下，開發綠色的摩擦納米發電材料逐漸引起了人們的注意。

纖維素作為一種重要的生物可降解性和可再生性的生物質能源，廣泛存在于樹木、竹子、大麻、棉花、農作物和海藻等植物中，也可以從細菌中獲得[8]，是一種天然的生物高分子聚合物。纖維素是由β-(1，4)-糖苷鍵連接的線性葡萄糖環組成，每個環包含3個活性羥基，并有大量的羥基活性基團，能在聚合鏈之間形成分子間和分子內鍵，進而組成強大的氫鍵網絡。2016年，YAO等[9]通過TEMPO氧化和高壓均質法制備了纖維素納米纖維（CNF）水凝膠，進而真空抽濾，干燥后制備了透明的纖維素納米纖維薄膜，并將其與氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）薄膜組裝成TENG。基于CNF的TENG進一步集成在一個用回收紙板纖維制成的纖維板中，當受到踩踏時可產生30 V和90 A的電輸出。這是首次將可再生的、可生物降解的納米纖維素應用到TENG中，不僅為CNF作為TENG的正極材料提供了理論性支撐，更展現出CNF在新型環保型機械能收集系統TENG中的巨大潛力。然而，纖維素的供電子傾向相對較弱，在摩擦發電所用的材料[10]中處于中等位置，纖維素本身的弱極化限制了其產生表面電荷的能力，要低于合成聚合物，這使得基于纖維素的TENG很難獲得較高的電輸出性能。為了獲得高性能的纖維素基材料，對纖維素進行化學改性或者物理摻雜是非常有效的方式。

1 摩擦納米發電機的4種工作模式及工作原理

一般認為，當兩種不同的材料接觸時，在其表面會形成一個化學鍵電荷以平衡它們的電化學勢。轉移的電荷可以是電子，也可以是離子/分子。當兩種材料分離時，一些鍵合原子有保留額外電子的傾向；有些傾向于釋放它們，可能在表面產生摩擦電荷。介電材料表面上摩擦電荷的存在可以是驅動電極中電子流動的驅動力，以平衡所產生的電勢下降。基于這一原理，研究了4種不同工作模式下的TENG[11]。

垂直接觸-分離模式如圖1(a)所示。在堆疊結構的頂部和底部表面分別涂覆電極。兩個不同的介電膜面之間的物理接觸產生了相反的帶電表面。兩個表面在外力作用下被分開一個小間隙，就會產生潛在的電勢下降。如果兩個電極由負載電連接，一個電極中的自由電子會流向另一個電極，形成相反的電位，以平衡靜電場。一旦間隙關閉，產生的摩擦電荷就會消失，電子就會回流以平衡兩電極間的電勢差，這種兩個摩擦極板在垂直方向上接觸和分離的TENG，就是垂直接觸-分離模式的TENG。不斷接觸分離的過程會引起外電路電荷的定向移動，產生交流電輸出。

橫向滑動模式（圖1（b））中當兩個介電膜接觸時，平行于表面的相對滑動[12]也會在兩個表面上產生摩擦電荷。因此，沿著滑動方向引入橫向偏振，從而驅動電子在頂部和底部的電極上流動，以完全平衡摩擦電荷產生的電場。一個周期性的滑動分開和關閉產生了一個交流輸出。滑動可以是平面運動、圓柱形旋轉或圓盤旋轉[13]。前兩種模式具有兩個由負載相互連接的電極，這樣的TENG可以自由移動。

在某些情況下，作為TENG一部分的物體不能與負載電極連接，因為它是一個可移動的物體，比如一個人在地板上行走。為了從這種情況下獲取能量，便引入了一個單電極TENG[14]，其中TENG底部的電極被接地，這種模式稱為單電極模式（圖1（c））。如果TENG的大小有限，則頂部物體從底部接近或離開將改變局部電場分布，從而在底部電極與地面之間存在電子交換，以維持電極的電位變化。這種能量收集策略可以同時處于接觸分離模式和接觸滑動模式下。

獨立層模式（圖1（d））為在同一介電材料的背面分別鍍上兩塊等大且不相連的對稱電極。如使用某一帶電物體在兩個電極之間做往復運動，此時由于靜電感應會在兩個背電極之間不斷地產生電勢差變化，驅動背電極上的自由電子通過外接負載在兩個電極之間來回流動，以平衡電勢差的變化。在該工作模式[15]下，這個運動的帶電物體不一定需要和介電層發生直接接觸。在旋轉模式下，不需要直接機械接觸便于實現自由旋轉，從而可以大幅減少表面的磨損。這是一種延長TENG耐久性的好方法。

圖1 摩擦納米發電機的4種基本模式[11]

2 纖維素基TENG的性能優化方案

根據TENG的工作原理，表面形態和摩擦納米發電材料將根本上決定TENG的輸出性能。在表面形態方面，可通過如微米模式、微/納米雙尺度模式和納米圖案增加摩擦納米發電材料之間的接觸面積，進而在一定程度上提高了輸出性能；通過化學處理引入表面基團，提高CNF得失電子的能力，從而可以提高材料的摩擦發電性能，將功能化的CNF應用到TENG上，可以獲得更高的能效，同時，化學鍵合也大大提高了摩擦層材料的耐久性；除了進行化學改性之外，物理摻雜也是改變材料本身特性的一個重要方式，主要是將具有高摩擦因數的材料與另一種材料本身進行組合形成復合材料，以達到增強本體材料對于電荷捕捉能力的目的。

2.1 表面形態優化

摩擦納米發電材料的表面形態在改善電荷積累和產生方面發揮關鍵作用，能進一步提高TENG的電輸出性能。表面形態的建立分為兩類：表面微圖案化的構建和多孔結構的構造。

2.1.1 表面微圖案化

通過在摩擦層中引入納米/微結構來增加表面積是提高TENG輸出性能的一種很有前途的策略。具有納米/微結構圖案摩擦層的粗糙表面顯著提高了TENG獲取機械能的效率。QIAN等[16]用納米纖維素作為原材料，直接打印出了具有3D結構的全印刷摩擦納米發電機(AP-TENG)，印刷的三維圖形和冷凍干燥后的氣凝膠結構可以顯著提高結構的有效利用率，有助于提高器件的接觸面積、表面粗糙度和機械彈性，從而改善摩擦發電響應。與傳統的模板方法相比，電壓輸出提高了接近175%。接觸角定義了CNF和PDMS摩擦層的印刷絲軸方向之間的角度差，接觸角為0°的AP-TENG的輸出性能優于接觸角為45°和90°的AP-TENG，可以作為自供電傳感器用于監測手指和腿部的運動。此外,可生物降解的親水性纖維素與3D分級多孔結構氣凝膠的結合使得AP-TENG有利于吸水，從而可用作響應比高達5:1的高靈敏度濕度傳感器。這項研究為3D結構高性能TENG的制備提供了全新的思路。CHEN等[17]利用環保的皺紋纖維素紙（CCP）和硝酸纖維素膜（NCM）制備出了高性能的摩擦納米發電機（P-TENG）。由于纖維素紙和硝化纖維素膜之間摩擦極性存在顯著差異，而且基于CCP的波紋結構和NCM的多孔結構可以形成不同的微觀結構，使得基于CCP/NCM的P-TENG表現出了優異的摩擦發電性能，輸出電壓和電流分別為196.8 V和31.5μA。在負載電阻為106Ω時，仍表現出16.1 W/m2的高功率密度。此外，P-TENG還具有良好的耐用性和穩定性，即使在在10 000個往復循環后，其輸出性能仍沒有顯著變化。ZHANG等[18]將CNF和聚醚酰亞胺（PEI）通過戊二醛交聯，又通過多元醇法制備均勻尺寸的Ag納米顆粒，并將其均勻地涂覆在CNF-PEI膜的表面上，不僅可以獲得更高的摩擦正電荷，還得到了納米級的表面，進而大大提高了TENG的摩擦發電輸出。除此之外，其還通過制備CNF-PEI-Ag和FEP的三維齒狀結構，以增加TENG工作的接觸面積，靈活地從不同角度收集機械能。當添加一對齒輪狀結構時,這種獨特的TENG還具有更高的靈敏度和響應能力，可作為自動供電的傳感器用于檢測人觸摸狀態下輕微的力變化。

2.1.2 多孔結構

氣凝膠的多孔結構不僅具有粗糙的表面，而且還提供了巨大的內表面積,這有利于產生額外的電荷。SONTYANA等[19]提出了一種高性能耐濕纖維素柔性摩擦納米發電機（FTENG）裝置。其將從棉花中提取的纖維素與聚乙烯醇溶液結合，并噴涂到導電柔性基板上，以形成用于制造FTENG的高多孔摩擦材料薄膜（HPF）。通過改變HPF的表面積，系統研究了摩擦發電性能對表面積的依賴性。采用噴涂的HPF作為正極、聚四氟乙烯作為負極摩擦材料，制造得到所提出的HPF-FTENG器件。所得到的HPF-FTENG質量輕、柔軟、制備成本低，并且能夠承受潮濕的環境。因此，該裝置不僅可以用于清除周圍環境中的各種機械干擾，還可以用于在水下和惡劣環境條件下獲取機械能。HPF-FTENG裝置在壓力為3.5 N和頻率為5 Hz條件下的輸出電壓、電流和功率密度值分別可以達到300 V、30μA和15 W/m2，在經10 800次壓縮循環后的輸出電壓仍然能保持穩定。結果表明，通過噴涂工藝開發高多孔纖維素摩擦納米發電機可以提高TENG的表面接觸面積和輸出性能。

BAI等[20]給出了一種通過柔性干鑄方法設計的具有強電荷積累能力的多孔納米復合織物（PNF），并將其作為正極摩擦材料,采用低溫硫化（LTV）硅膠作為負極摩擦材料，制造了可穿戴摩擦納米發電機。多孔納米復合材料是通過將納米Al2O3填充物加入醋酸纖維素網絡而開發的。通過調整鑄造溶液的濃度和納米Al2O3填充物的含量，系統地設計了PNF的物理特性，從而獲得了較大的摩擦電荷產率。當10%的醋酸纖維素（CA）和10%的Al2O3被引入PNF中，輸出電壓和功率密度分別可以達到448 V和2.5 mW/cm2，而純CA的輸出電壓和輸出電流分別為368 V和37.1μA，輸出性能的提高可以看作是由復合材料中適當的孔隙含量和均勻分布的Al2O3納米顆粒之間的協同效應引起的。一方面，正摩擦電荷不僅在PNF的頂表面產生，而且在內孔表面產生，這將導致裝置釋放后形成更大的電位差。另一方面，由于PNF的內孔變形，頂部與底部電極之間的距離可以減小。相比于純CA，加入Al2O3納米顆粒的醋酸纖維素網絡，其表面疏水性也有所提高，接觸角從71.3°增加至88.1°，這就意味著PNF對大氣中的水分子不敏感，有利于減少PNF表面的摩擦電荷損失，提高該裝置的環境適應性。更重要的是，由于加入了Al2O3填充物，PNF的介電常數增大，因此，該PNF-TENG的總電容將被擴大，這有助于提高該設備的電氣性能。

ZHENG等[21]報道了由一對高多孔聚合物氣凝膠薄膜組成的TENG，其采用高多孔纖維素納米纖維（CNF）和殼聚糖（CTS）氣凝膠為正極摩擦材料，采用常用的多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）為負極摩擦材料，用于組裝CNF/PDMS和CTS/PDMS的TENG器件。在相同的機械應力下，與非多孔的致密膜TENG相比，CNF/PDMS和CTS/PDMS組裝的TENG的功率分別增強了8倍和11倍。為了研究氣凝膠孔隙度對TENG摩擦發電性能的影響，分別利用多孔CNF和CTS氣凝膠配對多孔聚酰亞胺氣凝膠（PI），結果表明輸出性能隨著孔隙度的增加顯著提高。CTS/PDMS產生的輸出高于CNF/PDMS，這可以歸因于CTS的葡萄糖胺單元上存在的氨基。首先，氨基是優秀的電子供體，使得CTS具有更高的摩擦極性，從而可以獲得更高的功率輸出。另外，利用簡單的熱化學氣相沉積工藝，通過硅烷化（氨基硅烷）將具有優異給電子功能的氨基引入CNF氣凝膠，從而增加了CNF的正極性。氨基硅烷功能化的多孔CNF氣凝膠薄膜相對于多孔CNF氣凝膠薄膜而言，其與PDMS組裝所得TENG的性能提高了3倍。

2.2 表面化學改性

由于在纖維素分子每個葡萄糖單元中存在3個羥基，具有一定的化學反應活性，因此利用CNF表面豐富的羥基引入強親電子或斥電子的官能團是一種很好的提高TENG輸出性能的方式。纖維素功能化可以被分為引入得電子功能基團和引入失電子功能基團。

2.2.1 引入得電子功能基團

硝基可以增加材料的相對摩擦極性。YAO等[22]以納米纖維素（CNF）為原料，制備了一種高性能摩擦納米發電機。其采用化學反應方法將硝基和甲基附著到纖維素分子上，以改變CNF的極性，從而顯著提高摩擦電輸出。摩擦材料的表面電荷密度是決定TENG器件輸出性能的一個關鍵因素，將Ga-In共晶液體金屬用作一種摩擦納米發電材料，通過將薄膜與Ga-In共晶液體金屬接觸和分離，測量CNF薄膜與液態金屬電極之間的電荷轉移。在電荷轉移過程中測得硝基CNF的表面電荷密度為85.8μC/m2，而甲基CNF的表面電荷密度為-62.5μC/m2，FEP薄膜的表面電荷密度為120.9μC/m2，FEP薄膜在這里被用作評估基于CNF的薄膜的正負屬性和電輸出性能的基準。測得硝基CNF和甲基CNF的表面電荷密度值分別為基準材料FEP的71%和52%，而原始CNF只能達到FEP的11%。當在TENG中硝基CNF與甲基CNF配對時，輸出被進一步提高到非常接近于FEP/CNF配對時的輸出值。這項研究對于TENG的材料選擇具有明顯的意義。

LI等[23]制備的混合納米發電機HTPENG由垂直堆疊的兩層組成，頂層是由鎳電極封裝的BC（BTO/MWCNT）壓電紙構成的PENG，底層是引入硝基基團的CNF摩擦電紙與鎳電極組成的TENG。其中納米纖維素CNF用HNO3和H2SO4的混合溶液處理后，引入—NO3基團以增加其電負性。制備的混合納米發電機的開路電壓為37 V，短路電流密度為1.23 A/cm2，其輸出性能可與FEP-Ni相媲美。該方法為纖維素基復合納米發電機的設計和應用提供了新的思路。

除此之外，硫、MXenes等都有強大的得電子能力，在TENG的負極材料改性中都發揮了重要的作用。HE等[14]首次制備了具有增強輸出功率的PDMS/MXene復合膜，并將其用于單電極的TENG，該裝置被用于檢測人體運動（手指敲打、手拍和手錘擊）的生物機械傳感器，從而展示了其在可穿戴自動力傳感系統中的潛力，可將此方法應用到TENG正極材料的納米纖維素改性研究中。

2.2.2 引入失電子功能基團

氨基基團很容易失去電子，將氨基引入到CNF中，有利于電子的損失，從而增加了電荷轉移量，可以明顯提升TENG的性能。聚乙烯亞胺（PEI）富含氨基，用PEI對纖維素納米纖維進行表面改性可以通過氫鍵與CNF表面的羧基相互作用[24]，從而降低了纖維間的氫鍵密度，減少了纖維的團聚。MI等[25]通過簡單的酰胺化過程用PEI改性CNF得到具有更好機械性能的CNF/PEI氣凝膠，與靜電紡絲制備的PVDF纖維墊組裝成的TENG，具有更好的機械性能、更高的摩擦極性，顯著提高了TENG的摩擦電輸出。當CNF/PEI氣凝膠和4層PVDF納米纖維墊組裝成TENG時，相比于由1層PVDF納米纖維墊和原始CNF氣凝膠制成的TENG，輸出電壓和功率密度分別提高了18.3倍和97.6倍。此外，這種獨特的TENG還顯示出作為自供電傳感器的高靈敏度，不僅能夠檢測人的運動，如手臂彎曲或腳踩，而且在檢測手指敲擊、水滴運動甚至它所附著基底的振動等輕作用力時仍表現出高靈敏度。氨基也可以作為有效的固化劑與環氧樹脂發生反應，從而增加界面交聯密度并增強界面黏合度。ZHAO等[26]將PEI接枝到CNF上，制備了CNFs-PEI/Epoxy納米復合材料。與純環氧樹脂相比，納米復合材料的力學性能大大提高。此外，CNFs-PEI還顯著降低了環氧樹脂納米復合材料的熱膨脹系數（CTE），提高了其熱導率，擴大了納米復合材料的應用范圍，特別是在電子器件上的應用。BAI等[27]提出了多孔醋酸纖維素（CA）-聚乙烯亞胺(PEI)生物復合材料（CP），并將其作為摩擦發電正極材料，結合柔性低溫硫化硅橡膠（LTV）作為負極材料，開發了高輸出的CP/LTV-TENG。相應CP/LTV-TENG在施加力為16 N、頻率為1.5 Hz的條件下，其開路電壓可達到478 V，短路電流密度為6.3μA/cm2，功率密度為2.21 mW/cm2，遠高于基于CA膜的CA/LTV-TENG,揭示了生物復合材料表面供電子能力和內多孔結構的協同效應是實現高發電性能的主要原因。

將氨基基團引入到纖維素納米纖維中后，通過改變TENG摩擦層材料的表面結構可以進一步提升TENG的性能。SHEN[28]等將醋酸纖維素（CA）和聚氨酯（PU）在相對濕度為45%、電壓為25 kV的條件下通過靜電紡絲得到混合納米纖維膜，由于通過PU引入氨基基團，增加了摩擦材料的給電子能力。另外，試驗中選擇聚丙烯酰胺（PAM）分子作為化學表面修飾劑，以提高材料的表面疏水性，消除水蒸氣對TENG輸出的負面影響，從而構建了抗濕型的HR-TENG。

此外，ROY等[29]采用大蒜素改性納米纖維素，為合成高潛力生物基摩擦納米發電材料提供了新的思路。通過“硫醇-烯”化學反應合成了大蒜素接枝的Alc-S-CNF，以增強CNF的摩擦發電性能，并制備了可再生的高性能纖維素基TENG。用大蒜素改性后，CNF薄膜的機械性能和熱穩定性明顯提升。輸出電壓和電流峰值分別達到7.9 V和5.13μA，比基于原始纖維素的TENG提升了6.5倍。這是由于亞砜基團的較高偶極性質和大蒜素中二硫鍵的良好極化性，從而提高了表面電勢。同時，S—O鍵的相互作用具有顯著的偶極特性，負電荷集中在氧原子上。因此，改性膜具有更高的表面極性、失電子能力和表面粗糙度。此外，用大蒜素接枝的TENG表現出出色的抗濕性、循環和環境穩定性，能夠用來點亮35個LED。ZHANG等[30]提出了一種合成纖維素基氣凝膠的新方法，纖維素II氣凝膠在綠色無機熔鹽水合物溶劑（LiBr·3H2O）中通過溶解-再生工藝制備，天然纖維素（纖維素I）轉化為再生纖維素（纖維素II），由于這種制造過程的獨特凝膠機制，纖維素II氣凝膠具有大量由溶-再生過程產生的中孔，因此具有更大的表面積。此外，還分別制備了含有殼聚糖和海藻酸的復合纖維素II氣凝膠，與原始纖維素II氣凝膠裝置相比，引入的失電子和得電子基團進一步提高了相應TENG的性能，通過用手指敲打基于殼聚糖-纖維素II氣凝膠的TENG，該裝置能夠照亮串聯連接的60個綠色LED和圖案“AG”字母形LED。NIE[31]等通過采用一種簡單而環保的方法修飾CNF膜，在纖維素納米纖維（CNF）上實現了優異的摩擦電荷密度和疏水性。其將3-（2-氨基乙胺）-丙基二甲氧基甲基硅烷（AEAPDMS）接枝到CNF上，以乙酸乙烯酯（EVA）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為墊片和包裝材料，制備了氨基硅烷改性CNF的TENG。TENG表現出了高性能和防潮性，可以對包括按壓、拉伸、彎曲和扭轉等人體運動有反應，具有突出的靈活性。同時，它還可以用于監測人在排汗環境中的運動狀態。這項工作有望為基于CNF的功能性TENG在自主動力可穿戴電子設備中的應用提供更多的可能性。

2.3 物理改性

除了進行化學改性之外，物理摻雜[32]也是改變材料本身的一個重要方式，主要將具有高摩擦因數的材料與另外一種材料組合形成復合材料，以達到增強電荷捕捉能力的目的。

CUI等[33]將少層磷烯通過乙醇中的液相去角質剝離，作為添加劑與TEMPO氧化纖維素納米纖維（CNF）混合，形成透明、靈活的納米發電機用混合紙。將此混合紙作為正極摩擦層、AU作為負極摩擦層構造摩擦納米發電機，隨著混合紙中磷烯含量的增加，通過超薄磷烯薄片的簡單而有效的物理混合，由于磷烯具有高載流子遷移率和優秀的半導體性能，TENG的整體輸出性能得到提高，實現了5.2 V的開路電壓，相應的電流密度為1.8μA/cm2。該設備的功率密度比最初基于CNF的TENG高出46倍。OH等[34]制備了含AgNWs和BaTiO3納米顆粒的高導電鐵電細菌纖維素復合紙，由于AgNWs的滲透網絡表現出了很高的導電率，因此其不僅可以作為正極摩擦材料，而且可以作為底部電極材料，并且不需要集成額外的電極。所加入BaTiO3無機納米顆粒的鐵電特性促進了紙張表面和負摩擦電層之間的電荷轉移，從而BC-TENG能夠實現增強的摩擦發電輸出，在5 N的壓力下，BC-TENG的輸出電壓和電流分別達到170 V和9.8μA，優化輸出功率密度為180μW/cm2。SUN等[35]利用纖維素和離子液體的溶解和再生特性，獲得再生纖維素膜作為摩擦層，在此基礎上，加入了具有不同電負性的PA6/PVDF、具有高介電常數和低介電損耗的BaTiO3進行性能優化，并和PTFE進行TENG的組裝，相比于純纖維素膜的開路電壓7.925 V和短路電流1.095μA，加入BaTiO3優化后的TENG開路電壓和短路電流分別提高了254.43%（20.155 V）和548.04%（6.001μA）。Mi等[36]首次提出了一類基于CNF/硅纖維（SF）、CNF/人毛發（HH）和CNF/兔毛（RF）復合氣凝膠的新型低成本、具有生物相容性、靈活、高性能的多孔復合PC-TENG。SF是由二氧化硅組成的，具有高度的失電子傾向。HH表面和RF表面有相似的化學成分。HH和RF中的氨基和硫醇基團是生物活性基團，具有很強的供電子屬性，這使得基于CNF/RF復合氣凝膠的TENG表現出最好的摩擦發電輸出性能，輸出電壓和電流分別為110.0 V和11.3μA。在30 kPa的低壓縮壓力、4.7 MΩ負載下的功率密度為3.4 W/m2。

3 結束語

綜上所述，基于纖維素復合材料的摩擦納米發電機的輸出性能已有很大提高。盡管此領域已經取得了很多成果，但是基于纖維素的TENG性能提高仍然存在較大空間，有很多工作需要進一步探索：

（1）纖維素的極性較弱，雖然目前已經做了很多工作提高纖維素極性，比如化學改性，但是仍有很多工作需要做。在未來的研究中，一方面可以利用纖維素的特性和內部孔隙的大小，對纖維素進行調控；另一方面，可以依靠纖維素材料的化學易修飾性，通過引入合適的基團如氨基或者硝基，使纖維素具有強烈的得電子或失電子能力，更大程度上得到高電荷密度。

（2）纖維素的脆性較大，限制了它的適用范圍。未來可以從纖維素的力學性能方面入手，引入一些二維材料以提高纖維素的彈性性能，使得基于纖維素的TENG可以適應復雜的環境。

（3）纖維素含有大量羥基，具有親水性，在潮濕環境下應考慮其適用性。引入大分子鏈或者接枝一些疏水性基團等對纖維素在濕潤環境下的應用具有重大意義。