在現(xiàn)代技術(shù)中，推動設備利用環(huán)境為其供電并遠離笨重的電源。這就是納米發(fā)電機的用武之地。許多較小規(guī)模的設備正在試用納米發(fā)電機，包括植入式醫(yī)療設備、可穿戴醫(yī)療設備、遠程監(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)達的領域，以及該領域的一些最新發(fā)展。

使用納米發(fā)電機的能量收集領域在商業(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)的興趣和基礎研究。這是因為當其他能量存儲/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，它們可以為小型遠程設備供電。納米發(fā)電機可以為許多小型設備解鎖自充電和打開遠程應用程序的能力，否則這些應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)殡娸敵觥＿@些機制是接觸帶電和靜電荷感應。對于將能量從機械能轉(zhuǎn)換為電能的 TENG，設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，因此摩擦電效應與基本材料性能之間沒有明確的關聯(lián)。這意味著沒有確切的理論可以預測材料可能表現(xiàn)出的摩擦電的存在和大小。因此，設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，一旦進入納米級領域——尤其是二維材料等薄表面——就會開始觀察到量子效應，它有助于促進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，而其他設備則將 2D 材料與聚合物或聚合物復合材料結(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，從而導致負電荷極性。也可以通過摻雜來大幅修改此過程——在應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力并提供 l長壽。這是一個關鍵特性，因為一些機械運動和摩擦有時涉及彎曲（取決于應用）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力。

用于 TENG 的不同二維材料的試驗包括針對相關應用量身定制的材料。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)控設備、遠程傳感器，甚至是 LED 電視的供電等一系列應用都可以使用 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，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 中的使用仍然受應用需求的制約——因為產(chǎn)生的電輸出不是始終是某些應用的唯一驅(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 為小型和遠程設備供電很感興趣，但研究表明，也可以使用 TENGs 為包括電視在內(nèi)的大型電子設備供電。

審核編輯黃昊宇