摩擦纳米发电机 (TENG) 中的二维材料

在现代技术中，推动设备利用环境为其供电并远离笨重的电源。这就是纳米发电机的用武之地。许多较小规模的设备正在试用纳米发电机，包括植入式医疗设备、可穿戴医疗设备、远程监控技术、物联网技术，甚至自供电空气消毒系统。虽然这不是一份详尽的清单，但这些只是寻求自充电功能的一些较发达的领域，以及该领域的一些最新发展。

使用纳米发电机的能量收集领域在商业上仍处于相对初级阶段；然而，这并不能阻止对这些系统的兴趣和基础研究。这是因为当其他能量存储/能量收集技术因其尺寸或电源连接要求而既不可行也不合适时，它们可以为小型远程设备供电。纳米发电机可以为许多小型设备解锁自充电和打开远程应用程序的能力，否则这些应用程序可能无法实现。虽然正在研究和开发几种不同的纳米发电机，但我们将研究一种更有前途和发展更好的纳米发电机，称为摩擦电纳米发电机 (TENG)。

利用材料的摩擦电性能

纳米发电机收集某种形式的外部刺激，并利用这种刺激产生电荷，为小型设备供电——或者在一些尚未广泛开发的情况下，它们可以大量使用和集成，为更大的电子系统供电。摩擦纳米发电机 (TENG) 是一种小型、轻型设备，可以从周围环境中收集运动并将其转化为电能输出。简而言之，TENG 通过接触感应起电机制将机械能转化为电能。

TENG 依靠两种基本机制将机械运动转变为电输出。这些机制是接触带电和静电荷感应。对于将能量从机械能转换为电能的 TENG，设备中的活性摩擦电材料必须首先通过与外部刺激的相互作用而带电。这种接触带电机制产生摩擦力，随后在 TENG 表面产生电荷。然后，TENG 会经历静电荷感应阶段，其中表面电荷会在 TENG 内的材料中重新分布。这种电荷的重新分配会产生电流，然后可以为任何连接的小型设备供电。

在 TENG 中产生和转移电荷的过程依赖于许多不同的小规模物理和化学因素——包括材料变形、断裂、发热以及电子和离子转移。由于许多因素会影响材料是否会表现出良好的摩擦电性能，因此摩擦电效应与基本材料性能之间没有明确的关联。这意味着没有确切的理论可以预测材料可能表现出的摩擦电的存在和大小。因此，设计人员通常采用最佳猜测方法来确定可能合适的材料，方法是根据它们在相互接触时失去或获得电子的能力对它们进行排名。

为什么在 TENG 中使用二维材料

鉴于只有最佳猜测方法可以根据材料失去或获得电子的能力来确定材料是否具有摩擦电性，二维材料因其固有的薄度而很快成为人们感兴趣的候选材料。二维材料的厚度（在某些情况下为一个原子层厚度，在其他情况下为几个原子层厚度）意味着其表面比体积更大的材料更活跃，因此电子更有可能更容易地与它们相互作用这些纳米级的其他表面。此外，一旦进入纳米级领域——尤其是二维材料等薄表面——就会开始观察到量子效应，它有助于促进电子以体积较大的材料无法实现的方式运动，即量子隧穿。

已经针对 TENG 测试了几种不同的二维材料。其中一些方法涉及单独使用 2D 材料，而其他设备则将 2D 材料与聚合物或聚合物复合材料结合使用。大多数二维材料用作摩擦电结的负极。这是因为 2D 材料宁愿从大多数材料中获得电子，从而导致负电荷极性。也可以通过掺杂来大幅修改此过程——在应用二维材料研究中已经使用（并成功）的东西——因为它已被证明可以提高许多二维材料在放置在 TENG 中时的电子捕获能力。

除了二维材料捕获电子并对局部环境中的摩擦和运动提供摩擦电响应的能力之外，与其他材料（包括其他纳米材料）相比，使用二维材料还有其他好处。这些就是二维材料所具有的高度柔韧性、机械强度、耐用性和透明度——这些甚至是其他一些纳米材料所不具备的——这意味着它们可以承受很大的机械应力并提供 l长寿。这是一个关键特性，因为一些机械运动和摩擦有时涉及弯曲（取决于应用）以及摩擦力，因此摩擦电材料需要能够承受弯曲和其他机械应力。

用于 TENG 的不同二维材料的试验包括针对相关应用量身定制的材料。例如，有时基于石墨烯的材料更适合外部医疗设备，因为它们比其他一些二维材料具有更大的柔韧性，并且会更好地贴合患者的皮肤。到目前为止，从空气消毒到植入式心脏起搏器，再到可穿戴监控设备、远程传感器，甚至是 LED 电视的供电等一系列应用都可以使用 TENG 作为电源。

使用的二维材料包括石墨烯及其衍生物、MXenes 和过渡金属二硫化物 (TMDC)。其中，大部分研究都进入了石墨烯材料。但迄今为止最受欢迎的是 TMDC，其中二硫化钼 (MoS 2 ) 在其他 TMDC 中脱颖而出。

虽然石墨烯在某些应用中受到青睐，但二硫化钼被视为总体上最有前途的选择之一，因为它表现出量子限制效应，可作为电荷捕获剂。除此之外，它的能级非常适合传输电子，而且它的表面积很大。目前，作为 TENG 的通用摩擦电材料，它在所有二维材料中表现出最高的输出电压和电流，但是二硫化钼和其他二维材料在 TENG 中的使用仍然受应用需求的制约——因为产生的电输出不是始终是某些应用的唯一驱动因素（例如，灵活性或生物相容性也可能是驱动因素）。所以，

结论

与体积更大的材料甚至其他纳米材料相比，二维材料为 TENG 带来更多好处。二维材料固有的薄度为更有效的电子运动和摩擦电响应提供了更活跃的表面。它们的灵活性和机械耐用性为制造具有长寿命的 TENG 提供了一种选择。尽管目前人们对创建 TENGs 为小型和远程设备供电很感兴趣，但研究表明，也可以使用 TENGs 为包括电视在内的大型电子设备供电。

审核编辑 黄昊宇