摩擦納米發(fā)電機 (TENG) 中的二維材料

在現(xiàn)代技術(shù)中，推動設(shè)備利用環(huán)境為其供電并遠(yuǎn)離笨重的電源。這就是納米發(fā)電機的用武之地。許多較小規(guī)模的設(shè)備正在試用納米發(fā)電機，包括植入式醫(yī)療設(shè)備、可穿戴醫(yī)療設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，甚至自供電空氣消毒系統(tǒng)。雖然這不是一份詳盡的清單，但這些只是尋求自充電功能的一些較發(fā)達(dá)的領(lǐng)域，以及該領(lǐng)域的一些最新發(fā)展。

使用納米發(fā)電機的能量收集領(lǐng)域在商業(yè)上仍處于相對初級階段；然而，這并不能阻止對這些系統(tǒng)的興趣和基礎(chǔ)研究。這是因為當(dāng)其他能量存儲/能量收集技術(shù)因其尺寸或電源連接要求而既不可行也不合適時，它們可以為小型遠(yuǎn)程設(shè)備供電。納米發(fā)電機可以為許多小型設(shè)備解鎖自充電和打開遠(yuǎn)程應(yīng)用程序的能力，否則這些應(yīng)用程序可能無法實現(xiàn)。雖然正在研究和開發(fā)幾種不同的納米發(fā)電機，但我們將研究一種更有前途和發(fā)展更好的納米發(fā)電機，稱為摩擦電納米發(fā)電機 (TENG)。

利用材料的摩擦電性能

納米發(fā)電機收集某種形式的外部刺激，并利用這種刺激產(chǎn)生電荷，為小型設(shè)備供電——或者在一些尚未廣泛開發(fā)的情況下，它們可以大量使用和集成，為更大的電子系統(tǒng)供電。摩擦納米發(fā)電機 (TENG) 是一種小型、輕型設(shè)備，可以從周圍環(huán)境中收集運動并將其轉(zhuǎn)化為電能輸出。簡而言之，TENG 通過接觸感應(yīng)起電機制將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

TENG 依靠兩種基本機制將機械運動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娸敵?。這些機制是接觸帶電和靜電荷感應(yīng)。對于將能量從機械能轉(zhuǎn)換為電能的 TENG，設(shè)備中的活性摩擦電材料必須首先通過與外部刺激的相互作用而帶電。這種接觸帶電機制產(chǎn)生摩擦力，隨后在 TENG 表面產(chǎn)生電荷。然后，TENG 會經(jīng)歷靜電荷感應(yīng)階段，其中表面電荷會在 TENG 內(nèi)的材料中重新分布。這種電荷的重新分配會產(chǎn)生電流，然后可以為任何連接的小型設(shè)備供電。

在 TENG 中產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移電荷的過程依賴于許多不同的小規(guī)模物理和化學(xué)因素——包括材料變形、斷裂、發(fā)熱以及電子和離子轉(zhuǎn)移。由于許多因素會影響材料是否會表現(xiàn)出良好的摩擦電性能，因此摩擦電效應(yīng)與基本材料性能之間沒有明確的關(guān)聯(lián)。這意味著沒有確切的理論可以預(yù)測材料可能表現(xiàn)出的摩擦電的存在和大小。因此，設(shè)計人員通常采用最佳猜測方法來確定可能合適的材料，方法是根據(jù)它們在相互接觸時失去或獲得電子的能力對它們進(jìn)行排名。

為什么在 TENG 中使用二維材料

鑒于只有最佳猜測方法可以根據(jù)材料失去或獲得電子的能力來確定材料是否具有摩擦電性，二維材料因其固有的薄度而很快成為人們感興趣的候選材料。二維材料的厚度（在某些情況下為一個原子層厚度，在其他情況下為幾個原子層厚度）意味著其表面比體積更大的材料更活躍，因此電子更有可能更容易地與它們相互作用這些納米級的其他表面。此外，一旦進(jìn)入納米級領(lǐng)域——尤其是二維材料等薄表面——就會開始觀察到量子效應(yīng)，它有助于促進(jìn)電子以體積較大的材料無法實現(xiàn)的方式運動，即量子隧穿。

已經(jīng)針對 TENG 測試了幾種不同的二維材料。其中一些方法涉及單獨使用 2D 材料，而其他設(shè)備則將 2D 材料與聚合物或聚合物復(fù)合材料結(jié)合使用。大多數(shù)二維材料用作摩擦電結(jié)的負(fù)極。這是因為 2D 材料寧愿從大多數(shù)材料中獲得電子，從而導(dǎo)致負(fù)電荷極性。也可以通過摻雜來大幅修改此過程——在應(yīng)用二維材料研究中已經(jīng)使用（并成功）的東西——因為它已被證明可以提高許多二維材料在放置在 TENG 中時的電子捕獲能力。

除了二維材料捕獲電子并對局部環(huán)境中的摩擦和運動提供摩擦電響應(yīng)的能力之外，與其他材料（包括其他納米材料）相比，使用二維材料還有其他好處。這些就是二維材料所具有的高度柔韌性、機械強度、耐用性和透明度——這些甚至是其他一些納米材料所不具備的——這意味著它們可以承受很大的機械應(yīng)力并提供 l長壽。這是一個關(guān)鍵特性，因為一些機械運動和摩擦有時涉及彎曲（取決于應(yīng)用）以及摩擦力，因此摩擦電材料需要能夠承受彎曲和其他機械應(yīng)力。

用于 TENG 的不同二維材料的試驗包括針對相關(guān)應(yīng)用量身定制的材料。例如，有時基于石墨烯的材料更適合外部醫(yī)療設(shè)備，因為它們比其他一些二維材料具有更大的柔韌性，并且會更好地貼合患者的皮膚。到目前為止，從空氣消毒到植入式心臟起搏器，再到可穿戴監(jiān)控設(shè)備、遠(yuǎn)程傳感器，甚至是 LED 電視的供電等一系列應(yīng)用都可以使用 TENG 作為電源。

使用的二維材料包括石墨烯及其衍生物、MXenes 和過渡金屬二硫化物 (TMDC)。其中，大部分研究都進(jìn)入了石墨烯材料。但迄今為止最受歡迎的是 TMDC，其中二硫化鉬 (MoS 2 ) 在其他 TMDC 中脫穎而出。

雖然石墨烯在某些應(yīng)用中受到青睞，但二硫化鉬被視為總體上最有前途的選擇之一，因為它表現(xiàn)出量子限制效應(yīng)，可作為電荷捕獲劑。除此之外，它的能級非常適合傳輸電子，而且它的表面積很大。目前，作為 TENG 的通用摩擦電材料，它在所有二維材料中表現(xiàn)出最高的輸出電壓和電流，但是二硫化鉬和其他二維材料在 TENG 中的使用仍然受應(yīng)用需求的制約——因為產(chǎn)生的電輸出不是始終是某些應(yīng)用的唯一驅(qū)動因素（例如，靈活性或生物相容性也可能是驅(qū)動因素）。所以，

結(jié)論

與體積更大的材料甚至其他納米材料相比，二維材料為 TENG 帶來更多好處。二維材料固有的薄度為更有效的電子運動和摩擦電響應(yīng)提供了更活躍的表面。它們的靈活性和機械耐用性為制造具有長壽命的 TENG 提供了一種選擇。盡管目前人們對創(chuàng)建 TENGs 為小型和遠(yuǎn)程設(shè)備供電很感興趣，但研究表明，也可以使用 TENGs 為包括電視在內(nèi)的大型電子設(shè)備供電。

審核編輯黃昊宇