综述：基于ZnO的纳米发电机中的协同摩擦电效应和压电效应

《Micro and Nano Engineering》：Synergistic Triboelectric and Piezoelectric Effects in ZnO-based Nanogenerators

ZnO基TENG通过多物理场耦合机制显著提升能量收集效率，其形态调控（纳米棒/片/丝/微球）与界面工程协同优化电荷转移，拓展至可穿戴医疗设备等应用领域，但仍需解决材料兼容性及规模化制备难题。

　　

Fatemeh Rafati|Narges Johari|Wei Zhang

材料工程小组，戈尔帕耶甘工程学院，伊斯法罕技术大学，戈尔帕耶甘，伊朗

摘要

压电和摩擦电现象已被用于自供电系统中的能量收集。氧化锌（ZnO）独特的压电特性、较大的表面积以及结构适应性使其成为摩擦电纳米发电机（TENGs）的重要组成部分。本文综述了ZnO对提高TENG性能的影响，涵盖了纳米棒、纳米片、纳米线、纳米片和微球等多种形态，同时讨论了压电性能、介电性能、界面工程方法以及设备设计结构等因素如何共同实现摩擦-压电耦合效应。ZnO的压电潜力与摩擦电机制之间的协同作用显著提升了电荷转移效率、能量转换效率及输出性能。文章重点介绍了基于ZnO的混合TENGs的创新表面修饰和结构改进，并总结了ZnO形态对其性能的影响。最后，还探讨了存在的挑战及未来发展方向。此外，本文还提供了关于基于ZnO的能量收集技术的见解，强调了诸如形态优化、材料调整、界面工程和设备配置策略等潜在的设计方法，以及这些技术在生物医学设备、可穿戴电子设备和自供电传感器中的应用前景。

引言

摩擦电纳米发电机（TENGs）能够将机械能转化为电能[1]。随着对轻量化、高能效设备的需求增加，人们对无需电池的自供电系统的兴趣也随之提升[2],[3]。TENGs的工作原理是在两种材料接触和分离过程中实现电荷转移，由此产生的电荷和静电效应会驱动电流通过外部电路[4],[5],[6]。通常使用摩擦电系列中的金属-聚合物组合来实现能量生成[7],[8],[9],[10]。通过优化表面形态以增加摩擦力和接触面积，可以进一步提高输出功率[11],[12],[13]。图1展示了TENG的工作原理。

最近的研究方向是通过选择合适的材料、进行表面工程处理以及添加压电添加剂来提高能量转换效率[9],[14],[15]。由于其压电-半导体双重特性、低温加工性、柔韧性和生物相容性[16],[17],[18]，ZnO在这一领域展现出巨大潜力。ZnO的压电响应与摩擦电效应相结合，进一步增强了能量转换和电荷密度[19],[20],[21]。ZnO还可以与其他压电材料（如PVDF）结合使用，以增强TENG的性能[16],[20]。这种协同效应源于优化的形态、材料固有常数（如压电系数、介电常数）、工程化的界面设计以及改进电荷转移和机械能到电能转换的器件架构[16],[22],[23],[24]。添加ZnO可以通过极化过程增强摩擦电荷，从而显著提高TENG的输出功率[25],[26],[27],[28],[29]。

本文对基于ZnO的TENGs进行了全面综述，特别关注了纳米片、纳米棒、纳米线、纳米片和微球等不同结构及其与摩擦电机制的协同作用。与以往仅关注基于ZnO的PENGs或形态特性的研究不同，本文综合了形态和非形态方面的协同因素，包括压电性能、介电行为、界面工程以及器件架构优化。表1总结了以往研究的局限性，并指出了本文旨在解决的研究空白，明确了其创新贡献。此外，本文还将基于ZnO的混合结构与其他材料类型（如废弃物衍生材料[30]、二维材料[31]、聚合物基材料[32]、水凝胶基材料[33]和纺织品[34]）进行了比较，强调了最大化摩擦-压电耦合效率的策略。

关键性质

ZnO以非中心对称的六方纤锌矿形式结晶，这是实现压电效应的前提条件。由于晶体学方向上（尤其是[0001]轴）缺乏反演中心，因此在受到机械应力作用时晶体结构会发生极化。阳离子和阴离子的相对位移会产生与外力方向一致的电极化偶极子，从而产生压电场。这一固有特性使得ZnO具有出色的机电耦合性能。

ZnO/聚合物复合材料的制备与性能

将ZnO纳米结构嵌入聚合物基体中是一种广泛采用的策略，旨在提升压电和摩擦电纳米发电机（NGs）的机械强度、柔韧性和电能输出。纳米填料的分散方式及制备工艺对复合材料的结构和功能性能具有重要影响。

在聚合物基体中的分散行为对摩擦电性能起着决定性作用。

压电与摩擦电纳米发电机的基础原理

一种新的能量收集技术是利用机械能为小型可穿戴设备供电，即压电纳米发电机（PENGs）和摩擦电纳米发电机（TENGs）。

PENGs的基本原理基于直接压电效应，该效应由Pierre和Jacques Curie于1880年发现。当机械力作用于压电材料时，材料内部的偶极矩会发生重新定向，导致电荷分离和极化。此外，施加电场也会产生类似的效果。

应用、趋势与挑战

具有独特半导体和压电特性的ZnO纳米结构成为未来纳米发电机的有希望的材料。它们能够通过压电和摩擦电效应同时将机械能转化为电能，有助于开发自供电且可持续的系统。针对基于ZnO的PENGs和TENGs的研究证实了它们在从小型电子设备到可穿戴设备等多种应用中的潜力。

ZnO微粒

六方纤锌矿相的ZnO微粒也表现出优异的电学和光学性能，这些性能主要受其形态和合成方法的影响。无需催化剂或表面活性剂的水热合成工艺可以制备出高纯度、形态可控的微粒（如球形或类似苦瓜形状的颗粒[94],[95]。这些微粒无杂质、结晶度高且晶粒方向有序，能够有效抑制晶界散射[96],[97]。宽带隙特性进一步增强了电荷传输能力。

形态与性能的比较

如前所述，ZnO的阵列排列和表面形态对其有效表面积及TENG性能具有重要影响。具有较大表面积的形态通常能提供更高的电荷密度，因为它们具有更大的接触面积，从而更有效地传输电荷。从0D纳米颗粒到3D层级结构，各种ZnO形态都被研究用于提升TENG的输出性能。

总结与展望

由于具备压电和半导体特性，基于ZnO的TENGs被视为下一代自供电系统的理想选择。多种ZnO形态（如纳米棒、纳米片、纳米线、纳米片和微球）为设计特定的器件架构提供了可能，从而实现了更好的电荷传输、能量转换效率和机械柔韧性。本文总结了这些结构的功能作用，并指出了其潜在的应用价值。

作者贡献声明

Wei Zhang：撰写——综述与编辑、方法论、数据分析。Fatemeh Rafati：撰写——初稿撰写、数据验证、方法论设计、调查分析、数据整理、概念构思。Narges Johari：撰写——综述与编辑、指导工作、概念构思

数据获取声明

本研究所需的数据可向通讯作者索取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。